Python中的单例模式的几种实现方式的及优化
2018-06-05 11:29
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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
实现单例模式的几种方式
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
# coding:utf-8 # !/user/bin/python 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 mysingleton import singleton
2.使用装饰器
# coding:utf-8 # !/user/bin/python 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)
3.使用类
classmethod 修饰符对应的函数不需要实例化,不需要 self 参数,但第一个参数需要是表示自身类的 cls 参数,可以来调用类的属性,类的方法,实例化对象等。# coding:utf-8 # !/user/bin/python 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 Singleton.instance() 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
# coding:utf-8 # !/user/bin/python import threading 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 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 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004872048>
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:
# coding:utf-8 # !/user/bin/python import time import threading class Singleton(object): def __init__(self): time.sleep(1) # 加入sleep阻塞 @classmethod def instance(cls, *args, **kwargs): 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()
重新执行程序后,结果如下
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B840B8>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B84278>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B846D8>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B844A8>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B84D68>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B84B38>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B84908>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B84F98>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B98208>
<__main__.Singleton object at 0x0000000004B98438>
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
# coding:utf-8 # !/user/bin/python import time import threading class Singleton(object): _instance_lock = threading.Lock() # 加锁 def __init__(self): time.sleep(1) @classmethod def instance(cls, *args, **kwargs): with Singleton._instance_lock: # 判断锁 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()
打印结果如下:
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
<__main__.Singleton object at 0x00000000045620F0>
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"): # 已经实例化了就不需要等待 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
# coding:utf-8
# !/user/bin/python
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"): # 已经实例化了就不需要等待 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()
打印输出:
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
<__main__.Singleton object at 0x0000000003FD40F0>
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
4.基于__new__方法实现(推荐使用,方便)
通过上面例子,我们可以知道,当我们实现单例时,为了保证线程安全需要在内部加入锁我们知道,当我们实例化一个对象时,是先执行了类的__new__方法(我们没写时,默认调用object.__new__),实例化对象;然后再执行类的__init__方法,对这个对象进行初始化,所有我们可以基于这个,实现单例模式
# coding:utf-8 # !/user/bin/python import time import threading class Singleton(object): _instance_lock = threading.Lock() def __init__(self): time.sleep(1) def __new__(cls, *args, **kwargs): if not hasattr(Singleton, "_instance"): with Singleton._instance_lock: if not hasattr(Singleton, "_instance"): Singleton._instance = object.__new__(cls) return Singleton._instance obj1 = Singleton() obj2 = Singleton() print(obj1, obj2) def task(arg): obj = Singleton() print(obj) for i in range(10): t = threading.Thread(target=task, args=[i, ]) t.start()
打印结果如下:
(<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>, <__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>)
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
<__main__.Singleton object at 0x000000000447A5C0>
采用这种方式的单例模式,以后实例化对象时,和平时实例化对象的方法一样 obj = Singleton()
5.基于metaclass方式实现
相关知识
""" 1.类由type创建,创建类时,type的__init__方法自动执行,类() 执行type的 __call__方法(类的__new__方法,类的__init__方法) 2.对象由类创建,创建对象时,类的__init__方法自动执行,对象()执行类的 __call__ 方法 """
# coding:utf-8 # !/user/bin/python class Foo: def __init__(self): print "__init__" def __call__(self, *args, **kwargs): print "__call__" # 执行type的 __call__ 方法,调用 Foo类(是type的对象)的 __new__方法,用于创建对象,然后调用 Foo类(是type的对象)的 __init__方法,用于对对象初始化。 obj = Foo() # 执行Foo的 __call__ 方法 obj()
元类的使用
# coding:utf-8 # !/user/bin/python class SingletonType(type): def __init__(self, *args, **kwargs): super(SingletonType, self).__init__(*args, **kwargs) def __call__(cls, *args, **kwargs): # 这里的cls,即Foo类 print('cls', cls) obj = cls.__new__(cls, *args, **kwargs) cls.__init__(obj, *args, **kwargs) # Foo.__init__(obj) return obj class Foo(metaclass=SingletonType): # 指定创建Foo的type为SingletonType def __init__(self, name): self.name = name def __new__(cls, *args, **kwargs): return object.__new__(cls) obj = Foo('xx')
python3输出:
Connected to pydev debugger (build 173.4127.16)
cls <class '__main__.Foo'>
python2会报错SyntaxError: invalid syntax
原因:在用 class 语句自定义类时,默认 metaclass 是 type,我们也可以指定 metaclass 来创建类。 由于 python3 和 python2 在指定类的 metaclass 语法不兼容,下面分别示例 python2 和 python3 两个版本。
python2 版本:
class Bar(object): __metaclass__ = MetaClass def __init__(self, name): self.name = name def print_name(): print(self.name)
python3 版本:
class Bar(object, metaclass=MetaClass): def __init__(self, name): self.name = name def print_name(): print(self.name)
解决办法:
通过将元类移到单独的class定义来解决这个问题
# coding:utf-8 # !/user/bin/python class SingletonType(type): def __init__(self, *args, **kwargs): super(SingletonType, self).__init__(*args, **kwargs) def __call__(cls, *args, **kwargs): # 这里的cls,即Foo类 print('cls', cls) obj = cls.__new__(cls, *args, **kwargs) cls.__init__(obj, *args, **kwargs) # Foo.__init__(obj) return obj class Base(object): # 作为过渡 __metaclass__ = SingletonType class Foo(Base): # 指定创建Foo的type为SingletonType def __init__(self, name): self.name = name def __new__(cls, *args, **kwargs): return object.__new__(cls) obj = Foo('xx')
输出:
('cls', <class '__main__.Foo'>)
或者
# coding:utf-8 # !/user/bin/python import threading class SingletonType(type): _instance_lock = threading.Lock() def __call__(cls, *args, **kwargs): if not hasattr(cls, "_instance"): with SingletonType._instance_lock: if not hasattr(cls, "_instance"): cls._instance = super(SingletonType, cls).__call__(*args, **kwargs) return cls._instance class Foo: __metaclass__ = SingletonType # 直接指定创建Foo的type为SingletonType def __init__(self, name): self.name = name obj1 = Foo('name') obj2 = Foo('name') print(obj1, obj2)
实现单例模式
# coding:utf-8 # !/user/bin/python import threading class SingletonType(type): _instance_lock = threading.Lock() def __call__(cls, *args, **kwargs): if not hasattr(cls, "_instance"): with SingletonType._instance_lock: if not hasattr(cls, "_instance"): cls._instance = super(SingletonType, cls).__call__(*args, **kwargs) return cls._instance class Base(object): __metaclass__ = SingletonType class Foo(Base): # 指定创建Foo的type为SingletonType def __init__(self, name): self.name = name obj1 = Foo('name') obj2 = Foo('name') print(obj1, obj2)
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