【设计模式】单例模式--Python实现单例--线程安全的单例

一、单例模式概念

单例模式（Singleton Pattern） 是最简单的设计模式之一，属于创建型模式。它提供了一种创建对象的最佳方式。

单例模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

• 1、单例类只能有一个实例。
• 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
• 每一次执行 类名() 返回的对象，内存地址是相同

优点：

• 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
• 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点： 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

二、应用场景

1. 资源共享的情况下，避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如日志文件，应用配置。

2. 控制资源的情况下，方便资源之间的互相通信。如线程池等。

网站的计数器 不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
应用配置
多线程池
数据库配置，数据库连接池 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。
应用程序的日志应用
要求生产唯一序列号
音乐播放 对象
回收站 对象
打印机 对象

三、实现核心原理

重写类方法中的__new__方法

• 使用 类名() 创建对象时，Python 的解释器 首先 会 调用 __new__ 方法为对象 分配空间
• __new__ 是一个 由 object 基类提供的 内置的静态方法，主要作用有两个：
  • 1. 在内存中为对象 分配空间
  • 2. 返回 对象的引用
• Python 的解释器获得对象的 引用 后，将引用作为 第一个参数，传递给 __init__ 方法

重写 __new__ 方法 的代码非常固定！

• 重写 __new__ 方法 一定要 return super().__new__(cls)
• 否则 Python 的解释器 得不到 分配了空间的 对象引用，就不会调用对象的初始化方法
• 注意：__new__ 是一个静态方法，在调用时需要 主动传递 cls 参数

四、单例模式代码实现方式

4.1 使用模块

Python 的模块就是天然的单例模式，因为模块在第一次导入时，会生成 .pyc 文件，当第二次导入时，就会直接加载 .pyc 文件，而不会再次执行模块代码。因此，我们只需把相关的函数和数据定义在一个模块中，就可以获得一个单例对象了。如果我们真的想要一个单例类，可以考虑这样做：

# mysingleton.py
class Singleton(object):
    def foo(self):
        pass
    
singleton = Singleton()

将上面的代码保存在文件 mysingleton.py 中，要使用时，直接在其他文件中导入此文件中的对象，这个对象即是单例模式的对象

from a import singleton

4.2 使用装饰器

def Singleton(cls):
    _instance = {}

    def _singleton(*args, **kargs):
        if cls not in _instance:
            _instance[cls] = cls(*args, **kargs)
        return _instance[cls]

    return _singleton


@Singleton
class Test(object):
    t = 1

    def __init__(self, x=0):
        self.x = x


t1 = Test(2)
t2 = Test(3)

4.3 懒汉式 非线程安全的单例模式

**描述：**这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

class Singleton(object):
	__instance = None

	def __new__(cls, name, age):
		# 如果类属性__instance的值为None，那么就创建一个对象
		if not cls.__instance:
			cls.__instance = object.__new__(cls)
		# 如果已经有实例存在，直接返回
		return cls.__instance

a = Singleton("Zhangsan", 18)
b = Singleton("lisi", 20)

print(id(a))
print(id(b))

a.age = 30   # 给a指向的对象添加一个属性
print(b.age)  # 获取b指向的对象的age属性

4.4 懒汉式 线程安全的单例

**描述：**这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

import threading

"""
线程安全的单利模式

紧跟with后面的语句被求值后，返回对象的 __enter__() 方法被调用，这个方法的返回值将被赋值给as后面的变量。
当with后面的代码块全部被执行完之后，将调用前面返回对象的 __exit__()方法
"""
def synchronized(func):
    func.__lock__ = threading.Lock()

    def lock_func(*args, **kwargs):
        with func.__lock__:
            return func(*args, **kwargs)

    return lock_func

class Singleton(object):
    instance = None

    @synchronized
    def __new__(cls):
        # 关键在于这，每一次实例化的时候，我们都只会返回这同一个instance对象
        if not cls.instance:
            cls.instance = super(Singleton, cls).__new__(cls)
        return cls.instance