Python 设计模式：单例模式

前言

单例模式可能是最简单的设计模式，单例是非常通用的对象。让你能够保证一个类只有一个实例， 并提供一个访问该实例的全局节点。

我们可以将船的船长视为单例模式的现实生活中的例子。在船上，他是负责人。他负责重要的决定，由于这一责任，他收到了一些请求。

如前所述，单例模式的一个用例是创建一个维护程序全局状态的单个对象。其他可能的用例如下：

• 控制对共享资源的并发访问；例如，管理与数据库的连接的对象类
• 横向的服务或资源，因为它可以从应用程序的不同部分或由不同的用户访问并完成其工作；例如，日志记录系统或实用程序核心的类

class Singleton:
    """Definition of a Singleton object."""
    
    singleton_instance = None
    
    def __init__(self):
        """
        Override the initialization 
        mechanism, returning only the single instance.
        """
        ...
        
    @staticmethod
    def get_singleton():
        """
        Method for fetching the Singleton instance.
        Is static so that it can be accessed everywhere.
        """
        ...
        
    @staticmethod
    def update_singleton(val):
        """
        Method for setting value of Singleton instance.
        Is static so that it can be accessed everywhere.
        """
        ...      

存储在 Singleton 实例中的数据是任意的。重要的是，无论数据，呼叫者和范围如何，Singleton 对象都会返回同一实例。这使得单元在实现诸如全局设置或运行配置之类的内容时有用。

单例例子

使用下面的代码片段来播放 Active Singleton 实现。尝试用数据结构（例如字典）替换可变Singleton_instance，并查看 Getter 和 Setter 的实现如何更改。尝试编写一些共享 Singleton 实例的功能。

class Singleton:
  """Definition of a Singleton object."""

  # Maintain state of Singleton
  singleton_instance = None

  def __init__(self):
    """Override the initialization mechanism."""
    if Singleton.singleton_instance is None:
      Singleton.singleton_instance = self
    
  @staticmethod
  def get_singleton():
    """
    Method for fetching the Singleton instance.
    Is static so that it can be accessed everywhere.
    """
    if Singleton.singleton_instance is None:
      Singleton()  # Call __init__ to initialize instance
    return Singleton.singleton_instance

  @staticmethod
  def update_singleton(val):
    """
    Method for setting value of Singleton instance.
    Is static so that it can be accessed everywhere.
    """
    if Singleton.singleton_instance is None:
      Singleton()  # Call __init__ to initialize instance
    Singleton.singleton_instance = val

Singleton.update_singleton("Michael")
print("Value in Singleton instance is: " + Singleton.get_singleton())
Singleton()  # Try to create a new Singleton instance
print("Value in Singleton instance is STILL: " + Singleton.get_singleton())      

单例模式也可以通过使单例类使用元类（其类型，具有先前定义的元类）来实现。根据需要，元类的 ​

​__call__()​

​ 方法保存的代码可确保只能创建类的一个实例：

class SingletonMeta(type):
    """
    The Singleton class can be implemented in different ways in Python. Some
    possible methods include: base class, decorator, metaclass. We will use the
    metaclass because it is best suited for this purpose.
    """

    _instances = {}

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        """
        Possible changes to the value of the `__init__` argument do not affect
        the returned instance.
        """
        if cls not in cls._instances:
            instance = super().__call__(*args, **kwargs)
            cls._instances[cls] = instance
        return cls._instances[cls]


class Singleton(metaclass=SingletonMeta):
    def some_business_logic(self):
        """
        Finally, any singleton should define some business logic, which can be
        executed on its instance.
        """

        # ...


if __name__ == "__main__":
    # The client code.

    s1 = Singleton()
    s2 = Singleton()

    if id(s1) == id(s2):
        print("Singleton works, both variables contain the same instance.")
    else:
        print("Singleton failed, variables contain different instances.")      

单例模式优缺点

• 你可以保证一个类只有一个实例。
• 你获得了一个指向该实例的全局访问节点。
• 仅在首次请求单例对象时对其进行初始化。

• 违反了单一职责原则。 该模式同时解决了两个问题。
• 单例模式可能掩盖不良设计， 比如程序各组件之间相互了解过多等。
• 该模式在多线程环境下需要进行特殊处理， 避免多个线程多次创建单例对象。
• 单例的客户端代码单元测试可能会比较困难， 因为许多测试框架以基于继承的方式创建模拟对象。 由于单例类的构造函数是私有的， 而且绝大部分语言无法重写静态方法， 所以你需要想出仔细考虑模拟单例的方法。 要么干脆不编写测试代码， 或者不使用单例模式。