Python中的单例模式的几种实现方式的及优化

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单例模式

单例模式(Singleton
Pattern)
是一种常用的软件设计模式,该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你希望在整个系统中,某个类只能出现一个实例时,单例对象就能派上用场。

比如,某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中,客户端通过一个 AppConfig
的类来读取配置文件的信息。如果在程序运行期间,有很多地方都需要使用配置文件的内容,也就是说,很多地方都需要创建
AppConfig 对象的实例,这就导致系统中存在多个 AppConfig
的实例对象,而这样会严重浪费内存资源,尤其是在配置文件内容很多的情况下。事实上,类似
AppConfig 这样的类,我们希望在程序运行期间只存在一个实例对象。

在 Python 中,我们可以用多种方法来实现单例模式

 

Python中的单例模式的几种实现方式的优缺点及优化,python优缺点

实现单例模式的几种方式

单例模式

单例模式(Singleton
Pattern)
是一种常用的软件设计模式,该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你希望在整个系统中,某个类只能出现一个实例时,单例对象就能派上用场。

比如,某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中,客户端通过一个 AppConfig
的类来读取配置文件的信息。如果在程序运行期间,有很多地方都需要使用配置文件的内容,也就是说,很多地方都需要创建
AppConfig 对象的实例,这就导致系统中存在多个 AppConfig
的实例对象,而这样会严重浪费内存资源,尤其是在配置文件内容很多的情况下。事实上,类似
AppConfig 这样的类,我们希望在程序运行期间只存在一个实例对象。

在 Python 中,我们可以用多种方法来实现单例模式

 

1.使用模块

其实,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

 

实现单例模式的几种方式

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 A(object):
    a = 1

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


a1 = A(2)
a2 = A(3)

 

 

1.使用模块

其实,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

 

 

3.使用类

class Singleton(object):

    def __init__(self):
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance

一般情况,大家以为这样就完成了单例模式,但是这样当使用多线程时会存在问题

 

class Singleton(object):

    def __init__(self):
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance

import threading

def task(arg):
    obj = Singleton.instance()
    print(obj)

for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()

程序执行后,打印结果如下:

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

看起来也没有问题,那是因为执行速度过快,如果在init方法中有一些IO操作,就会发现问题了,下面我们通过time.sleep模拟

我们在上面__init__方法中加入以下代码:

    def __init__(self):
        import time
        time.sleep(1)

重新执行程序后,结果如下

<__main__.Singleton object at 0x034A3410>
<__main__.Singleton object at 0x034BB990>
<__main__.Singleton object at 0x034BB910>
<__main__.Singleton object at 0x034ADED0>
<__main__.Singleton object at 0x034E6BD0>
<__main__.Singleton object at 0x034E6C10>
<__main__.Singleton object at 0x034E6B90>
<__main__.Singleton object at 0x034BBA30>
<__main__.Singleton object at 0x034F6B90>
<__main__.Singleton object at 0x034E6A90>

问题出现了!按照以上方式创建的单例,无法支持多线程

 

解决办法:加锁!未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度降低,但是保证了数据安全

import time
import threading
class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(1)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        with Singleton._instance_lock:
            if not hasattr(Singleton, "_instance"):
                Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance


def task(arg):
    obj = Singleton.instance()
    print(obj)
for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()
time.sleep(20)
obj = Singleton.instance()
print(obj)

 

打印结果如下:

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

这样就差不多了,但是还是有一点小问题,就是当程序执行时,执行了time.sleep(20)后,下面实例化对象时,此时已经是单例模式了,但我们还是加了锁,这样不太好,再进行一些优化,把intance方法,改成下面的这样就行:

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            with Singleton._instance_lock:
                if not hasattr(Singleton, "_instance"):
                    Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance

这样,一个可以支持多线程的单例模式就完成了

图片 1图片 2

import time
import threading
class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(1)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            with Singleton._instance_lock:
                if not hasattr(Singleton, "_instance"):
                    Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance


def task(arg):
    obj = Singleton.instance()
    print(obj)
for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()
time.sleep(20)
obj = Singleton.instance()
print(obj)

完整代码

 

这种方式实现的单例模式,使用时会有限制,以后实例化必须通过 obj = Singleton.instance()

如果用 obj=Singleton()
,这种方式得到的不是单例

 

2.使用类

class Singleton(object):

    def __init__(self):
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance

一般情况,大家以为这样就完成了单例模式,但是这样当使用多线程时会存在问题

 

class Singleton(object):

    def __init__(self):
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance

import threading

def task(arg):
    obj = Singleton.instance()
    print(obj)

for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()

程序执行后,打印结果如下:

<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
<__main__.Singleton object at 0x02C933D0>

看起来也没有问题,那是因为执行速度过快,如果在init方法中有一些IO操作,就会发现问题了,下面我们通过time.sleep模拟

我们在上面__init__方法中加入以下代码:

    def __init__(self):
        import time
        time.sleep(1)

重新执行程序后,结果如下

<__main__.Singleton object at 0x034A3410>
<__main__.Singleton object at 0x034BB990>
<__main__.Singleton object at 0x034BB910>
<__main__.Singleton object at 0x034ADED0>
<__main__.Singleton object at 0x034E6BD0>
<__main__.Singleton object at 0x034E6C10>
<__main__.Singleton object at 0x034E6B90>
<__main__.Singleton object at 0x034BBA30>
<__main__.Singleton object at 0x034F6B90>
<__main__.Singleton object at 0x034E6A90>

问题出现了!按照以上方式创建的单例,无法支持多线程

 

解决办法:加锁!未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度降低,但是保证了数据安全

import time
import threading
class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        time.sleep(1)

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        with Singleton._instance_lock:
            if not hasattr(Singleton, "_instance"):
                Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance


def task(arg):
    obj = Singleton.instance()
    print(obj)
for i in range(10):
    t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
    t.start()
time.sleep(20)
obj = Singleton.instance()
print(obj)

 

打印结果如下:

<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
<__main__.Singleton object at 0x02D6B110>

这样就差不多了,但是还是有一点小问题,就是当程序执行时,执行了time.sleep(20)后,下面实例化对象时,此时已经是单例模式了,但我们还是加了锁,这样不太好,再进行一些优化,把intance方法,改成下面的这样就行:

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            with Singleton._instance_lock:
                if not hasattr(Singleton, "_instance"):
                    Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
        return Singleton._instance

这样,一个可以支持多线程的单例模式就完成了

图片 3import
time import threading class Singleton(object): _instance_lock =
threading.Lock() def __init__(self): time.sleep(1) @classmethod def
instance(cls, *args, **kwargs): if not hasattr(Singleton,
“_instance”): with Singleton._instance_lock: if not
hasattr(Singleton, “_instance”): Singleton._instance =
Singleton(*args, **kwargs) return Singleton._instance def task(arg):
obj = Singleton.instance() print(obj) for i in range(10): t =
threading.Thread(target=task,args=[i,]) t.start() time.sleep(20) obj =
Singleton.instance() print(obj) 完整代码

 

这种方式实现的单例模式,使用时会有限制,以后实例化必须通过 obj = Singleton.instance()

如果用 obj=Singleton()
,这种方式得到的不是单例

 

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