Python设计模式 - 单例模式

定义

单例模式是一种创建型设计模式， 其主要目的是确保一个类只有一个实例， 并提供一个全局访问点来访问该实例。

结构

应用场景

1. 资源管理：当需要共享某个资源时，例如数据库连接、线程池、日志对象等，可以使用单例模式确保所有的客户端都使用同一个资源实例，从而避免资源的浪费和不一致性。
2. 配置信息：在应用程序中，可能会有一些全局配置信息需要在各个地方被访问和使用，例如系统配置、日志配置等，这时可以使用单例模式来存储和管理这些配置信息。
3. 缓存管理：在需要缓存数据以提高性能的场景中，可以使用单例模式来管理缓存实例，确保所有地方都使用同一个缓存对象，避免数据不一致或者缓存混乱的问题。

优缺点

优点：

1. 资源节约：单例模式确保一个类只有一个实例存在，可以节约系统资源，避免了多次创建相同类型的对象所带来的资源浪费。
2. 全局访问点：单例模式提供了一个全局的访问点，使得可以在任何时候、任何地方都能够访问到该实例，方便了对象的访问和使用。
3. 实例控制：由于单例模式只能创建一个实例，因此可以对实例进行严格的控制，例如可以限制实例的数量、延迟实例化等。

缺点：

1. 对扩展性的限制：由于单例模式创建的实例是静态的，因此很难对其进行子类化或者扩展。如果需要在单例类的基础上添加新的功能，可能需要修改现有的代码，这会增加耦合性并且破坏了开闭原则。
2. 职责过多：单例模式在一定程度上违背了单一职责原则，因为单例类既提供了业务方法，又提供了创建对象的方法，将对象的创建和对象本身的功能耦合在一起。

Java代码示例

饿汉式

饿汉式实现是在类定义时就创建单例对象，不管是否需要使用该对象。

public class Singleton {
    // 在类加载时就创建好实例
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 私有化构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供一个公共的静态方法返回实例
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

懒汉式

懒汉式实现是在需要时才创建实例。

public class Singleton {
    // 声明一个静态的实例变量，但不初始化
    private static Singleton instance;

    // 私有化构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供一个公共的静态方法返回实例
    public static Singleton getInstance() {
        // 检查实例是否已经被创建，如果没有，才进行实例化
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

以上实现不是线程安全的，在多线程高并发访问时，要使用双重检查锁定来实现线程安全。

public class Singleton {
    // 声明一个 volatile 类型的静态变量，确保多线程下的可见性
    private static volatile Singleton instance;

    // 私有化构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供一个公共的静态方法返回实例
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次检查，如果实例为空，则进入同步块
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次检查，再次判断实例是否为空，如果为空，则创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

静态内部类（推荐）

使用静态内部类实现单例模式是一种常见的方式，这种方法利用了类加载的特性来保证懒加载和线程安全。

public class Singleton {

    // 私有化构造方法，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 静态内部类，用于实现懒加载和线程安全
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 对外提供获取单例对象的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

Python代码示例

使用模块

使用模块来实现饿汉式单例模式是一种简单而有效的方法。在 Python 中导入一个模块时，解释器会确保这个模块只被加载一次，因此可以利用这一点来实现单例模式。

# singleton.py
class Singleton:
    pass

# 创建单例实例
singleton_instance = Singleton()


# main.py
from singleton import singleton_instance

# 使用单例实例
singleton_instance.some_attribute = "some_value"

使用装饰器

使用装饰器可以实现懒汉式单例模式，实例在第一次被请求时才会被创建。

def singleton(cls):
    instances = {}

    def get_instance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]

    return get_instance

@singleton
class Singleton:
    pass

# 使用单例对象
singleton_instance1 = Singleton()
singleton_instance2 = Singleton()

使用类属性

使用类属性也可以实现懒汉式单例模式。

class Singleton:
    _instance = None  # 类属性用于存储单例实例



    @classmethod
    def get_instance(cls, value):
        if not cls._instance:
            cls._instance = cls(value)
        return cls._instance

# 使用单例对象
singleton_instance1 = Singleton.get_instance()
singleton_instance2 = Singleton.get_instance()

也可以通过 new 方法来实现，同样是将实例对象存储到类属性中。

class Singleton:
    _instance = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

  
# 使用单例对象
singleton_instance1 = Singleton()
singleton_instance2 = Singleton()

使用元类（推荐）

使用元类可以更加灵活地控制类的创建过程，从而实现懒汉式单例模式。

class SingletonMeta(type):
    _instances = {}

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

class Singleton(metaclass=SingletonMeta):
    pass

# 使用单例对象
singleton_instance1 = Singleton()
singleton_instance2 = Singleton()

在多线程高并发访问时，要使用双重检查锁定来实现线程安全。

from threading import Lock, Thread


class SingletonMeta(type):
    _instances = {}
    _lock = Lock()

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            with cls._lock:
                if cls not in cls._instances:
                    instance = super().__call__(*args, **kwargs)
                    cls._instances[cls] = instance
        return cls._instances[cls]

class Singleton(metaclass=SingletonMeta):
    pass

饿汉式单例类和懒汉式单例类的比较

1. 资源利用率：饿汉式单例类在类被加载时创建实例，无论运行时是否使用该实例；懒汉式单例类在第一次使用时创建实例；所以懒汉式单例类资源利用率更高。
2. 线程安全问题：饿汉式单例类在类被加载时创建实例，是线程安全的；懒汉式单例类需要增加双重检查锁定来实现线程安全；

参考

《设计模式的艺术》
单例设计模式 (refactoringguru.cn)
Python中的单例模式的几种实现方式的及优化 - 听风。 - 博客园 (cnblogs.com)