一文详解Python中实现单例模式的几种常见方式

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• Python 中实现单例模式的几种常见方式
• 元类（Metaclass）：
• 装饰器（Decorator）：
• 模块（Module）：
• new 方法：

Python 中实现单例模式的几种常见方式

元类（Metaclass）：

class SingletonType(type):
    """
    单例元类。用于将普通类转换为单例类。
    """
    _instances = {}  # 存储单例实例的字典
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        """
        重写 __call__ 方法。用于创建和返回单例实例。
        """
        if cls not in cls._instances:  # 如果类还没有实例化过
            cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)  # 则创建新实例并存储在字典中
        return cls._instances[cls]  # 返回字典中的实例
class MyClass(metaclass=SingletonType):
    """
    单例类。使用元类 SingletonType 将其转换为单例类。
    """
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def say_hello(self):
        print(f"Hello, my name is {self.name}.")
# 创建 MyClass 的两个实例，应该是同一个对象
obj1 = MyClass("Alice")
obj2 = MyClass("Bob")
# 打印两个实例的内存地址，应该相同
print(hex(id(obj1)))  # 输出：0x7f8d94547a90
print(hex(id(obj2)))  # 输出：0x7f8d94547a90
# 调用两个实例的方法，输出应该相同
obj1.say_hello()  # 输出：Hello, my name is Alice.
obj2.say_hello()  # 输出：Hello, my name is Alice.

在上面的代码中，我们定义了一个名为 SingletonType 的元类，并将其用作 MyClass 的元类。在 SingletonType 类中，我们维护了一个 _instances 字典，用于存储每个类的唯一实例。在 __call__() 方法中，我们检查 _instances 字典，如果类尚未拥有实例，则创建一个新实例并添加到 _instances 中。最后，我们返回 _instances 中的实例。

在 MyClass 类中，我们定义了一个带参数的构造函数，并且使用 metaclass 参数来指定 SingletonType 元类。由于 MyClass 类使用 SingletonType 元类，因此它具有单例行为。在程序中，我们创建了 MyClass 的两个实例 obj1 和 obj2，然后打印它们的内存地址以验证它们是否是同一个对象。最后，我们调用这两个实例的方法，输出应该相同。

装饰器（Decorator）：

def singleton(cls):
    """
    单例装饰器。用于将普通类转换为单例类。
    """
    instances = {}  # 存储单例实例的字典
    def get_instance(*args, **kwargs):
        """
        获取单例实例的方法。
        """
        if cls not in instances:  # 如果类还没有实例化过
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)  # 则创建新实例并存储在字典中
        return instances[cls]  # 返回字典中的实例
    return get_instance
@singleton
class MyClass:
    """
    单例类。使用装饰器 singleton 将其转换为单例类。
    """
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def say_hello(self):
        print(f"Hello, my name is {self.name}.")
# 创建 MyClass 的两个实例，应该是同一个对象
obj1 = MyClass("Alice")
obj2 = MyClass("Bob")
# 打印两个实例的内存地址，应该相同
print(hex(id(obj1)))  # 输出：0x7f8d94547a90
print(hex(id(obj2)))  # 输出：0x7f8d94547

在上面的代码中，我们定义了一个名为 singleton 的装饰器函数。在 singleton 函数内部，我们创建了一个 instances 字典，用于存储每个类的唯一实例。然后，我们定义了一个名为 get_instance 的内部函数，用于获取单例实例。在 get_instance 函数中，我们检查 instances 字典，如果类尚未拥有实例，则创建一个新实例并添加到 instances 中。最后，我们返回字典中的实例。

在 MyClass 类上应用 @singleton 装饰器，以将其转换为单例类。由于该装饰器是针对类进行操作的，因此它可以轻松地将任何普通类转换为单例类。在程序中，我们创建了 MyClass 的两个实例 obj1 和 obj2，然后打印它们的内存地址以验证它们是否是同一个对象。最后，我们调用这两个实例的方法，输出应该相同。

模块（Module）：

# mymodule.py
class MyClass:
    """
    单例类。
    """
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def say_hello(self):
        print(f"Hello, my name is {self.name}.")
my_singleton = MyClass("Alice")  # 创建单例实例

# main.py
from mymodule import my_singleton
# 使用单例实例
my_singleton.say_hello()  # 输出：Hello, my name is Alice.

在上面的代码中，我们将 MyClass 类定义在一个独立的模块 mymodule.py 中，并在其中创建了一个单例实例 my_singleton。然后，在另一个文件 main.py 中，我们从 mymodule 模块中导入 my_singleton 实例，并使用它来调用 say_hello() 方法。

由于 Python 模块在首次导入时会自动执行，因此我们可以利用这一特性来创建单例实例。在 mymodule.py 模块中，我们可以确保 my_singleton 只会被创建一次，并在程序的其他部分中共享它。

new 方法：

class MyClass:
    """
    单例类。
    """
    _instance = None  # 存储单例实例的类变量
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        """
        重写 __new__ 方法。用于创建和返回单例实例。
        """
        if cls._instance is None:  # 如果类还没有实例化过
            cls._instance = super().__new__(cls)  # 则创建新实例并存储在类变量中
        return cls._instance  # 返回类变量中的实例
    def __init__(self, name):
        self.name = name
    def say_hello(self):
        print(f"Hello, my name is {self.name}.")
# 创建 MyClass 的两个实例，应该是同一个对象
obj1 = MyClass("Alice")
obj2 = MyClass("Bob")
# 打印两个实例的内存地址，应该相同
print(hex(id(obj1)))  # 输出：0x7f8d94547a90
print(hex(id(obj2)))  # 输出：0x7f8d94547a90
# 调用两个实例的方法，输出应该相同
obj1.say_hello()  # 输出：Hello, my name is Alice.
obj2.say_hello()  # 输出：Hello, my name is Alice.

在上面的代码中，我们将 MyClass 类的构造函数改为 __new__() 方法，并使用 _instance 类变量来存储单例实例。在 __new__() 方法中，我们检查 _instance 变量，如果类尚未拥有实例，则创建一个新实例并添加到 _instance 中。最后，我们返回 _instance 中的实例。

在程序中，我们创建了 MyClass 的两个实例 obj1 和 obj2，然后打印它们的内存地址以验证它们是否是同一个对象。最后，我们调用这两个实例的方法，输出应该相同。

无论使用哪种方法实现单例模式，都需要注意线程安全和可扩展性等方面的问题。因此，在实际开发中，请仔细考虑自己的需求并选择合适的实现方式。

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