前言
單例模式(Singleton Pattern),是一種軟件設(shè)計(jì)模式,是類只能實(shí)例化一個(gè)對(duì)象,
目的是便于外界的訪問,節(jié)約系統(tǒng)資源,如果希望系統(tǒng)中 只有一個(gè)對(duì)象可以訪問,就用單例模式,
顯然單例模式的要點(diǎn)有三個(gè);一是某個(gè)類只能有一個(gè)實(shí)例;二是它必須自行創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例;三是它必須自行向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例。
在 Python 中,我們可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)單例模式:
- 使用模塊
- 使用 __new__
- 使用裝飾器(decorator)
- 使用元類(metaclass)
概念
簡(jiǎn)單說,單例模式(也叫單件模式)的作用就是保證在整個(gè)應(yīng)用程序的生命周期中,任何一個(gè)時(shí)刻,單例類的實(shí)例都只存在一個(gè)(當(dāng)然也可以不存在)
例子:
一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以連好幾個(gè)打印機(jī),但是這個(gè)計(jì)算機(jī)上的打印程序只能有一個(gè),這里就可以通過單例模式來避免兩個(gè)打印作業(yè)同時(shí)輸出到打印機(jī)中,即在整個(gè)的打印過程中我只有一個(gè)打印程序的實(shí)例。
super(B, self).__init__()是這樣理解的:super(B, self)首先找到B的父類(就是類A),然后把類B的對(duì)象self轉(zhuǎn)換為類A的對(duì)象(通過某種方式,一直沒有考究是什么方式,慚愧),然后“被轉(zhuǎn)換”的類A對(duì)象調(diào)用自己的__init__函數(shù)。考慮到super中只有指明子類的機(jī)制,因此,在多繼承的類定義中,通常我們保留使用類似代碼段1的方法。
1. super并不是一個(gè)函數(shù),是一個(gè)類名,形如super(B, self)事實(shí)上調(diào)用了super類的初始化函數(shù),
產(chǎn)生了一個(gè)super對(duì)象;
2. super類的初始化函數(shù)并沒有做什么特殊的操作,只是簡(jiǎn)單記錄了類類型和具體實(shí)例;
3. super(B, self).func的調(diào)用并不是用于調(diào)用當(dāng)前類的父類的func函數(shù);
4. Python的多繼承類是通過mro的方式來保證各個(gè)父類的函數(shù)被逐一調(diào)用,而且保證每個(gè)父類函數(shù)
只調(diào)用一次(如果每個(gè)類都使用super);
5. 混用super類和非綁定的函數(shù)是一個(gè)危險(xiǎn)行為,這可能導(dǎo)致應(yīng)該調(diào)用的父類函數(shù)沒有調(diào)用或者一
個(gè)父類函數(shù)被調(diào)用多次。
__new__: 對(duì)象的創(chuàng)建,是一個(gè)靜態(tài)方法,第一個(gè)參數(shù)是cls。(想想也是,不可能是self,對(duì)象還沒創(chuàng)建,哪來的self)
__init__ : 對(duì)象的初始化, 是一個(gè)實(shí)例方法,第一個(gè)參數(shù)是self。
__new__方法在類定義中不是必須寫的,如果沒定義,默認(rèn)會(huì)調(diào)用object.__new__去創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象。如果定義了,就是override,可以custom創(chuàng)建對(duì)象的行為。
聰明的讀者可能想到,既然__new__可以custom對(duì)象的創(chuàng)建,那我在這里做一下手腳,每次創(chuàng)建對(duì)象都返回同一個(gè),那不就是單例模式了嗎?沒錯(cuò),就是這樣。可以觀摩《飄逸的python - 單例模式亂彈》
定義單例模式時(shí),因?yàn)樽远x的__new__重載了父類的__new__,所以要自己顯式調(diào)用父類的__new__,即object.__new__(cls, *args, **kwargs),或者用super()。,不然就不是extend原來的實(shí)例了,而是替換原來的實(shí)例。
代碼
import threading class Signleton(object): def __init__(self): print("__init__ method called") def __new__(cls): print("__new__ method called") mutex=threading.Lock() mutex.acquire() # 上鎖,防止多線程下出問題 if not hasattr(cls, 'instance'): cls.instance = super(LogSignleton, cls).__new__(cls) mutex.release() return cls.instance if __name__ == '__main__': obj = Signleton()
輸出結(jié)果:
>>> ================================ RESTART ================================ >>> __new__ method called __init__ method called >>>
說明
1.從輸出結(jié)果來看,最先調(diào)用 __new__ 方法,然后調(diào)用__init__方法
2. __new__ 通常用于控制生成一個(gè)新實(shí)例的過程,它是類級(jí)別的方法。
3. __init__ 通常用于初始化一個(gè)新實(shí)例,控制這個(gè)初始化的過程,比如添加一些屬性,做一些額外的操作,發(fā)生在類實(shí)例被創(chuàng)建完以后。它是實(shí)例級(jí)別的方法。
方法1
__new__ 在__init__初始化前,就已經(jīng)實(shí)例化對(duì)象,可以利用這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)單例模式。
print '----------------------方法1--------------------------' #方法1,實(shí)現(xiàn)__new__方法 #并在將一個(gè)類的實(shí)例綁定到類變量_instance上, #如果cls._instance為None說明該類還沒有實(shí)例化過,實(shí)例化該類,并返回 #如果cls._instance不為None,直接返回cls._instance class Singleton(object): def __new__(cls, *args, **kw): if not hasattr(cls, '_instance'): orig = super(Singleton, cls) cls._instance = orig.__new__(cls, *args, **kw) return cls._instance class MyClass(Singleton): a = 1 one = MyClass() two = MyClass() two.a = 3 print one.a #3 #one和two完全相同,可以用id(), ==, is檢測(cè) print id(one) #29097904 print id(two) #29097904 print one == two #True print one is two #True
方法2
print '----------------------方法2--------------------------' #方法2,共享屬性;所謂單例就是所有引用(實(shí)例、對(duì)象)擁有相同的狀態(tài)(屬性)和行為(方法) #同一個(gè)類的所有實(shí)例天然擁有相同的行為(方法), #只需要保證同一個(gè)類的所有實(shí)例具有相同的狀態(tài)(屬性)即可 #所有實(shí)例共享屬性的最簡(jiǎn)單最直接的方法就是__dict__屬性指向(引用)同一個(gè)字典(dict) #可參看:http://code.activestate.com/recipes/66531/ class Borg(object): _state = {} def __new__(cls, *args, **kw): ob = super(Borg, cls).__new__(cls, *args, **kw) ob.__dict__ = cls._state return ob class MyClass2(Borg): a = 1 one = MyClass2() two = MyClass2() #one和two是兩個(gè)不同的對(duì)象,id, ==, is對(duì)比結(jié)果可看出 two.a = 3 print one.a #3 print id(one) #28873680 print id(two) #28873712 print one == two #False print one is two #False #但是one和two具有相同的(同一個(gè)__dict__屬性),見: print id(one.__dict__) #30104000 print id(two.__dict__) #30104000
方法3
print '----------------------方法3--------------------------' #方法3:本質(zhì)上是方法1的升級(jí)(或者說高級(jí))版 #使用__metaclass__(元類)的高級(jí)python用法 class Singleton2(type): def __init__(cls, name, bases, dict): super(Singleton2, cls).__init__(name, bases, dict) cls._instance = None def __call__(cls, *args, **kw): if cls._instance is None: cls._instance = super(Singleton2, cls).__call__(*args, **kw) return cls._instance class MyClass3(object): __metaclass__ = Singleton2 one = MyClass3() two = MyClass3() two.a = 3 print one.a #3 print id(one) #31495472 print id(two) #31495472 print one == two #True print one is two #True
方法4
print '----------------------方法4--------------------------' #方法4:也是方法1的升級(jí)(高級(jí))版本, #使用裝飾器(decorator), #這是一種更pythonic,更elegant的方法, #單例類本身根本不知道自己是單例的,因?yàn)樗旧?自己的代碼)并不是單例的 def singleton(cls, *args, **kw): instances = {} def _singleton(): if cls not in instances: instances[cls] = cls(*args, **kw) return instances[cls] return _singleton @singleton class MyClass4(object): a = 1 def __init__(self, x=0): self.x = x one = MyClass4() two = MyClass4() two.a = 3 print one.a #3 print id(one) #29660784 print id(two) #29660784 print one == two #True print one is two #True one.x = 1 print one.x #1 print two.x
單例模式
單例模式(Singleton Pattern)是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式,該模式的主要目的是確保某一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例存在。當(dāng)你希望在整個(gè)系統(tǒng)中,某個(gè)類只能出現(xiàn)一個(gè)實(shí)例時(shí),單例對(duì)象就能派上用場(chǎng)。
比如,某個(gè)服務(wù)器程序的配置信息存放在一個(gè)文件中,客戶端通過一個(gè) AppConfig 的類來讀取配置文件的信息。如果在程序運(yùn)行期間,有很多地方都需要使用配置文件的內(nèi)容,也就是說,很多地方都需要?jiǎng)?chuàng)建 AppConfig 對(duì)象的實(shí)例,這就導(dǎo)致系統(tǒng)中存在多個(gè) AppConfig 的實(shí)例對(duì)象,而這樣會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)內(nèi)存資源,尤其是在配置文件內(nèi)容很多的情況下。事實(shí)上,類似 AppConfig 這樣的類,我們希望在程序運(yùn)行期間只存在一個(gè)實(shí)例對(duì)象。
在 Python 中,我們可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)單例模式:
- 使用模塊
- 使用 __new__
- 使用裝飾器(decorator)
- 使用元類(metaclass)
使用模塊
其實(shí),Python 的模塊就是天然的單例模式,因?yàn)槟K在第一次導(dǎo)入時(shí),會(huì)生成 .pyc 文件,當(dāng)?shù)诙螌?dǎo)入時(shí),就會(huì)直接加載 .pyc 文件,而不會(huì)再次執(zhí)行模塊代碼。因此,我們只需把相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)定義在一個(gè)模塊中,就可以獲得一個(gè)單例對(duì)象了。如果我們真的想要一個(gè)單例類,可以考慮這樣做:
# mysingleton.py class My_Singleton(object): def foo(self): pass my_singleton = My_Singleton()
將上面的代碼保存在文件 mysingleton.py 中,然后這樣使用:
from mysingleton import my_singleton my_singleton.foo()
使用 __new__
為了使類只能出現(xiàn)一個(gè)實(shí)例,我們可以使用 __new__ 來控制實(shí)例的創(chuàng)建過程,代碼如下:
class Singleton(object): _instance = None def __new__(cls, *args, **kw): if not cls._instance: cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw) return cls._instance class MyClass(Singleton): a = 1
在上面的代碼中,我們將類的實(shí)例和一個(gè)類變量 _instance 關(guān)聯(lián)起來,如果 cls._instance 為 None 則創(chuàng)建實(shí)例,否則直接返回 cls._instance。
執(zhí)行情況如下:
>>> one = MyClass() >>> two = MyClass() >>> one == two True >>> one is two True >>> id(one), id(two) (4303862608, 4303862608)
使用裝飾器
我們知道,裝飾器(decorator)可以動(dòng)態(tài)地修改一個(gè)類或函數(shù)的功能。這里,我們也可以使用裝飾器來裝飾某個(gè)類,使其只能生成一個(gè)實(shí)例,代碼如下:
from functools import wraps def singleton(cls): instances = {} @wraps(cls) def getinstance(*args, **kw): if cls not in instances: instances[cls] = cls(*args, **kw) return instances[cls] return getinstance @singleton class MyClass(object): a = 1
在上面,我們定義了一個(gè)裝飾器 singleton,它返回了一個(gè)內(nèi)部函數(shù) getinstance,該函數(shù)會(huì)判斷某個(gè)類是否在字典 instances 中,如果不存在,則會(huì)將 cls 作為 key,cls(*args, **kw) 作為 value 存到 instances 中,否則,直接返回 instances[cls]。
使用 metaclass
元類(metaclass)可以控制類的創(chuàng)建過程,它主要做三件事:
- 攔截類的創(chuàng)建
- 修改類的定義
- 返回修改后的類
使用元類實(shí)現(xiàn)單例模式的代碼如下:
class Singleton(type): _instances = {} def __call__(cls, *args, **kwargs): if cls not in cls._instances: cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs) return cls._instances[cls] # Python2 class MyClass(object): __metaclass__ = Singleton # Python3 # class MyClass(metaclass=Singleton): # pass
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