python-單例模式趣話

一天，小猿(程序猿)正在安靜的寫代碼（製造bug），突然狂風大作，只見，小猿的電腦屏幕出現一個無底的黑洞，小猿被捲入電腦，跌入洞中……

不知過了多久，小猿醒了過來，緩緩的睜開眼，發現自己躺在一個陌生的地方，而此時他眼前走過的是一個個機器人，這些機器人背後都有代號，有文件、內存、磁盤等等。小猿還沒來得及驚慌，就被一羣背後寫着“進程”的機器人組織開會，只見臺上坐着一個大佬，背後寫着赫赫的三個大字母:CPU，小猿心想，這是進了計算機內部窩了啊，望着身邊一個個面無表情的機器人，瞬間感覺弱小、可憐、無助、又飢餓……

原來，這位CPU大佬想做一個應用， 在整個應用的運行過程中，一直保持並維護着唯一的實例。所以組織大家集結思路，誰能做到，承諾一頓大餐作爲獎勵。小猿心想，這不就是單例嗎，就這？能難倒我？於是小猿本着助人爲樂（能喫飽飯）的原則，踊躍發言並給出了實現方案：

1.使用裝飾器方式實現

1.1函數裝飾器方式

def singleton(cls):
    # 創建一個字典用來保存被裝飾類的實例對象
    _instance = {}

    def _singleton(*args, **kwargs):
        # 判斷這個類有沒有創建過對象，沒有新創建一個，有則返回之前創建的
        if cls not in _instance:
            _instance[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return _instance[cls]
    return _singleton

@singleton
class A(object):
    def __init__(self, a=0):
        self.a = a


a1 = A(1)
a2 = A(2)
# id()函數可以獲取對象的內存地址，同一內存地址即爲同一對象
print(id(a1), id(a2))

1.2類裝飾器方式

class Singleton(object):
    def __init__(self, cls):
        self._cls = cls
        self._instance = {}

    def __call__(self):
        if self._cls not in self._instance:
            self._instance[self._cls] = self._cls()
        return self._instance[self._cls]


@Singleton
class B(object):
    def __init__(self):
        pass


b1 = B()
b2 = B()
print(id(b1), id(b2))

CPU大佬看了搖了搖頭，若有所思，說，這樣是可以實現，但是裝飾器的原理和執行順序很複雜，我不能接受。

小猿反駁說：裝飾器是基於面向切面編程思想來實現的，具有很高的解耦性和靈活性，而且本質其實不難理解，裝飾器本質上其實還是一個python函數，它可以讓其他函數在不需要做任何代碼變動的前提下增加額外功能，裝飾器的返回值也是一個函數對象。裝飾器的本質是函數，主要用來裝飾其他函數，也就是爲其他函數增加功能……

”打住打住“，沒等小猿說完，CPU就打斷了他，“我不想聽你這些繁瑣的解釋，還有其他實現方式嗎，沒有就退下吧！”

小猿心想：這真是一個難纏的人啊！爲了面子（主要還是想喫飯），忍了，給出方案2

2.使用類的方式實現

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

    @classmethod
    def get_instance(cls, *args, **kwargs):
        # hasattr() 函數用於判斷對象是否包含對應的屬性,這裏是看看這個類有沒有_instance屬性
        if not hasattr(Singleton, '_instance'):
            Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)

        return Singleton._instance


s1 = Singleton()  # 使用這種方式創建實例的時候,並不能保證單例
s2 = Singleton.get_instance()  # 只有使用這種方式創建的時候纔可以實現單例
s3 = Singleton()
s4 = Singleton.get_instance()

print(id(s1), id(s2), id(s3), id(s4))

小猿解釋道： 這種方式的思路就是，調用類的get_instance方法去創建對象，get_instance方法會判斷之前有沒有創建過對象，有的話也是會返回之前已經創建的對象，不再新創建，但是這樣有一個弊端，就是在使用類創建(s3 = Singleton()這種方式)的時候，就不能保證單例了，也就是說在創建類的時候一定要用類裏面規定的get_instance方法創建。

CPU說到：“那你解決一下嘍”。

小猿又開始在心裏嘀咕：站着說話不腰疼，我要不是看上那頓大餐，我纔不理你呢！給你方案3

3.使用__new__函數實現

class Singleton(object):

    def __init__(self):
        print("__init__")

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print("__new__")
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            print("創建新實例")
            Singleton._instance = object.__new__(cls)
        return Singleton._instance


obj1 = Singleton()
obj2 = Singleton()
print(obj1, obj2)

當python實例化一個對象時，是先執行類的__new__方法，當我們沒寫__new__方法時，默認調用基類object的__new__方法，然後再執行類的__init__方法，對這個對象進行初始化，所有我們可以基於這個，去實現單例模式 ，我們通過hasattr(Singleton, "_instance")（其中hasattr()的功能是判斷一個對象有沒有指定的屬性）去判斷之前有沒有實例化過對象，如果有，就直接返回，沒有就新創建一個。

附上控制檯輸出：可以看出，同樣實現了單例。

這時CPU大佬說到：”看輸出其實執行了兩遍__init__方法，既然是同一個對象，初始化兩次，這不合理。“

”沒關係，那優化一下！“小猿說。

class Singleton(object):

    def __init__(self):
        if not hasattr(Singleton, "_first_init"):
            print("__init__")
            Singleton._first_init = True

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print("__new__")
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            print("創建新實例")
            Singleton._instance = object.__new__(cls)
        return Singleton._instance

通過控制檯輸出我們可以看到，__init__方法只執行了一次。

到這時，大佬似乎有些滿意。小猿又說道： ”爲了保證線程安全，我們還可以在類內部加入鎖機制！“

import threading


class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock() # 線程鎖

    def __init__(self):
        if not hasattr(Singleton, "_first_init"):
            print("__init__")
            Singleton._first_init = True

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print("__new__")
        with Singleton._instance_lock:
            if not hasattr(Singleton, "_instance"):
                print("創建新實例")
                Singleton._instance = object.__new__(cls)
        return Singleton._instance


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


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

此時，CPU大佬露出了欣慰的笑容，大讚，衆機器人也都歡呼着，CPU大佬也兌現了大餐的承諾，讓人帶着小猿去喫大餐。

小猿看到滿桌子的山珍海味，開心的合不攏嘴，大口大口地吃了起來……

叮鈴鈴，叮鈴鈴，鬧鈴響了……原來這一切只是小猿做的夢，而此時小猿的嘴裏還咬着一隻襪子……哈哈哈

藉此，梳理開發中經常用到的單例模式，其實python實現單例的方式還有很多，像通過模塊、metaclass方式等等，這裏不一一實現，感興趣的朋友可以自行百度。

最後，感謝女朋友在生活中，工作上的包容、理解與支持 ！