11.Python设计模式：单例模式与工厂模式实战指南

一、单例模式（Singleton Pattern）

1.1 核心定义

确保一个类仅有一个实例存在，并提供全局访问点。适用于需要严格控制实例数量的场景。

1.2 多种实现方式

方式1：模块级单例（推荐）

# singleton.py
class _Singleton:
    def __init__(self):
        self.config = {}
    
instance = _Singleton()

# 使用
from singleton import instance
instance.config["debug"] = True

方式2：装饰器实现

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 DatabaseConnection:
    def __init__(self):
        self.connection = create_connection()

方式3：元类实现（线程安全版）

import threading

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

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

class Logger(metaclass=SingletonMeta):
    def __init__(self):
        self.logs = []

1.3 优缺点分析

优点：

• 资源高效利用（如数据库连接池）
• 全局状态统一管理
• 避免重复初始化开销

缺点：

• 违反单一职责原则
• 单元测试困难（全局状态污染）
• 多线程需额外处理同步问题

1.4 典型应用场景

• 配置管理（Django settings）
• 日志记录系统
• 硬件接口访问（如打印机控制）
• 缓存系统（Redis连接池）

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二、工厂模式（Factory Pattern）

2.1 模式分类

类型	特点	适用场景
简单工厂	一个工厂类创建所有产品	产品类型较少
工厂方法	每个产品对应专属工厂	需要扩展新产品
抽象工厂	创建产品族	系统需要多套组件

2.2 工厂方法模式实现

from abc import ABC, abstractmethod

class PaymentMethod(ABC):
    @abstractmethod
    def pay(self, amount):
        pass

class Alipay(PaymentMethod):
    def pay(self, amount):
        print(f"支付宝支付{amount}元")

class WechatPay(PaymentMethod):
    def pay(self, amount):
        print(f"微信支付{amount}元")

class PaymentFactory(ABC):
    @abstractmethod
    def create_payment(self):
        pass

class AlipayFactory(PaymentFactory):
    def create_payment(self):
        return Alipay()

class WechatFactory(PaymentFactory):
    def create_payment(self):
        return WechatPay()

# 使用
factory = AlipayFactory()
payment = factory.create_payment()
payment.pay(100)  # 支付宝支付100元

2.3 抽象工厂模式实战

class GUIFactory(ABC):
    @abstractmethod
    def create_button(self):
        pass
    
    @abstractmethod
    def create_menu(self):
        pass

class WindowsFactory(GUIFactory):
    def create_button(self):
        return WindowsButton()
    
    def create_menu(self):
        return WindowsMenu()

class MacFactory(GUIFactory):
    def create_button(self):
        return MacButton()
    
    def create_menu(self):
        return MacMenu()

# 根据系统环境选择工厂
def get_factory(os_type):
    factories = {
        "windows": WindowsFactory,
        "mac": MacFactory
    }
    return factories[os_type]()

2.4 模式优缺点

优点：

• 解耦对象创建与使用
• 符合开闭原则（扩展新类型不影响已有代码）
• 统一产品创建接口

缺点：

• 增加代码复杂度
• 需要预先设计工厂层级结构
• 学习曲线较陡峭

2.5 典型应用场景

• ORM框架（Django Model字段生成）
• 数据序列化（DRF根据格式生成不同输出）
• 跨平台UI组件库
• 文件格式解析器（Excel/CSV/JSON）

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三、模式对比与选型指南

维度	单例模式	工厂模式
主要目的	控制实例数量	封装对象创建
使用场景	全局状态管理	多态对象创建
扩展性	低	高
复杂度	低	中高
测试难度	高	低

最佳实践建议：

1. 优先使用模块实现单例（Python天然特性）
2. 简单场景用类装饰器，复杂场景用元类
3. 工厂模式与依赖注入结合使用
4. 避免单例的隐式依赖（考虑传递实例）
5. 使用abc模块强化接口约束

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四、真实框架应用案例

4.1 Django中的单例模式

# django/conf/__init__.py
class LazySettings(LazyObject):
    def _setup(self, name=None):
        # 全局配置单例
        self._wrapped = Settings(settings_module)

settings = LazySettings()

4.2 DRF中的工厂模式

# rest_framework/parsers.py
class JSONParser(BaseParser):
    media_type = 'application/json'

def parser_factory(media_type):
    return {
        'application/json': JSONParser,
        'text/html': HTMLParser
    }[media_type]()

# 根据请求头自动选择解析器

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结语

单例模式与工厂模式作为经典设计模式，在Python生态中广泛应用。单例模式适合需要严格管控资源的场景，而工厂模式则为复杂对象创建提供优雅解决方案。实际开发中应根据业务需求灵活选择，避免过度设计，同时注意模式带来的副作用。建议结合Python语言特性（如模块系统、装饰器）实现更简洁的模式应用。```