设计模式第四谈：单例模式

vlambda
2020-07-19

设计模式第四谈：单例模式

这篇文章将会介绍23种设计模式的单例模式。

1、什么是单例模式

“四人帮”编写的《设计模式-可复用面相对象软件的基础》一书中给出定义是：保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问它的全局访问点。

对于一些类来讲，只有一个实例是非常重要的，比如：在访问文件时，只有一个写实例。通过使用单例模式，让类自身创建、保存它的唯一的实例。

2、Python实现

由于Python语言的特性，可以有多种方式实现单例模式。接下来的Python实现方式会涉及一些Python的基础知识，对这方面不太了解的，可查看接下来几篇的文章。

2.1 基于.pyc文件实现

.pyc文件是.py文件编译后的二进制文件，.pyc相比于.py文件，加载速度会有所提升。在执行.py文件代码时，会在磁盘上（Linux系统会存放在Package下的pycache文件夹）寻找对应的.pyc文件，如果.pyc的文件修改时间晚于.py文件的修改时间，表示.py文件没有修改过，可直接加载，反之会重新生成.pyc文件。

基于以上特性，可以在一个.py文件中定义一个类并实例化一个类，其他的.py文件中通过import方式导入实例化的类对象，如下：

Car.py

# coding: utf-8


class Car(object):
    def driver(self):
        pass


car = Car()

singleton_example.py

# coding: utf-8

from Singleton.pyc.Car import car


if __name__ == '__main__':
    car.driver()

2.2 基于装饰器实现

装饰器本质上就是一个函数，这个函数接受其装饰的函数作为参数，并将其以一个新的修改后的函数进行替换。以装饰器实现单例模式代码如下：

Car.py

# coding: utf-8

from functools import wraps


def singleton(cls):
    """装饰器函数"""

    _cls_instance = []

    @wraps(cls)
    def _create_instance():
        if len(_cls_instance) == 0:
            _cls_instance.append(cls())

        return _cls_instance[0]

    return _create_instance


@singleton
class Car(object):
    def drive(self):
        pass

singleton_example.py

# coding: utf-8

from Singleton.decorator.Car import Car


if __name__ == '__main__':
    car_bmw = Car()
    car_benz = Car()

    print(car_bmw)
    print(car_benz)

2.3 基于静态方法实现

Car.py

# coding: utf-8


class Car(object):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        pass

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

        return Car._instance

    def drive(self):
        pass

singleton_example.py

# coding: utf-8

from Singleton.InstanceMethod.Car import Car


if __name__ == '__main__':
    car_bmw = Car.instance()
    car_benz = Car.instance()

    print(car_bmw)
    print(car_benz)

2.4 基于`new`实现

Car.py

# coding: utf-8


class Car(object):
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Car, "_instance"):
            Car._instance = object.__new__(cls)

        return Car._instance

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        pass

    def drive(self):
        pass

singleton_example.py

# coding: utf-8

from Singleton.NewAndInit.Car import Car


if __name__ == '__main__':
    car_bmw = Car()
    car_benz = Car()

    print(car_bmw)
    print(car_benz)

2.5 基于`metaclass`实现

Car.py

# coding: utf-8


class CarMetaClass(type):
    _car_instance = None

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if not cls._car_instance:
            cls._car_instance = super().__call__(cls, *args, **kwargs)

        return cls._car_instance


class Car(metaclass=CarMetaClass):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        pass

    def drive(self):
        pass

singleton_example.py

# coding: utf-8

from Singleton.MetaClass.Car import Car


if __name__ == '__main__':
    car_bmw = Car()
    car_benz = Car()

    print(car_bmw)
    print(car_benz)

2.6 单例模式的多线程安全

以上5种实现单例模式的方法中，使用类实现的后三种模式在使用多线程时，会存在创建多个实例的现象，这时需要在创建类实例是添加一把进程锁。

基于静态方法的实现：Car.py

import threading

class Car(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        pass

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

        return Car._instance

    def drive(self):
        pass

基于__new__的实现：Car.py

# coding: utf-8

import threading


class Car(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Car, "_instance"):
            while cls._instance_lock:
                if not hasattr(Car, "_instance"):
                    Car._instance = object.__new__(cls)

        return Car._instance

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        pass

    def drive(self):
        pass

基于metaclass的实现：Car.py

# coding: utf-8

import threading


class CarMetaClass(type):
    _car_instance = None
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if not cls._car_instance:
            with cls._instance_lock:
                if not cls._car_instance:
                    cls._car_instance = super().__call__(cls, *args, **kwargs)

        return cls._car_instance


class Car(metaclass=CarMetaClass):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        pass

    def drive(self):
        pass

3、单例模式UML类图

基于以上的Python代码来看，单例模式只有一个类参与，其UML类图如下图所示。

4、单例模式优缺点

优点：

单例模式只有一个类实例，这样可以减少内存开销和性能开销，特别是当某个对象需要频繁的创建和销毁时
减少对资源的重复使用
单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问

缺点

单例模式一般没有接口，很难扩展，如果需要扩展，只能修改源代码
在多线程开发中，单例模式需要进程锁，会损耗一部分性能，同时对于测试来说也是不利的

5、单例模式适用场景

在如下情景可使用单例模式：

当一个类只能有一个实例，并且可以从全局访问到它
当要严格控制全局变量个数时，可以使用单例模式

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