Python 中的單例模式

單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的軟體設計模式，此模式的主要目的是確保某一個類別只有一個實例存在。當你希望在整個系統中，某個類別只能出現一個實例時，單例物件就能派上用場。

例如，某個伺服器程式的設定資訊存放在一個檔案中，客戶端透過一個 AppConfig 的類別來讀取設定檔的資訊。如果在程式運行期間，有很多地方都需要使用設定檔的內容，也就是說，很多地方都需要建立 AppConfig 物件的實例，這就導致系統中存在多個 AppConfig 的實例對象，而這樣會嚴重浪費記憶體資源，尤其是在設定檔內容很多的情況下。事實上，類似 AppConfig 這樣的類，我們希望在程式運行期間只存在一個實例物件。

在Python 中，我們可以用多種方法來實現單例模式：

• 使用模組

• 使用__new__

• 類使用裝飾器使用裝飾器（類）

• 使用模組

其實，Python 的模組就是天然的單例模式，因為模組在第一次導入時，會產生.pyc 文件，當第二次導入時，就會直接載入 .pyc 文件，而不會再次執行模組程式碼。因此，我們只要把相關的函數和資料定義在一個模組中，就可以獲得一個單例物件了。如果我們真的想要一個單例類，可以考慮這樣做：

# 
mysingleton.py
class My_Singleton(object):
    def foo(self):
        pass
 
my_singleton = My_Singleton()

將上面的程式碼保存在檔案mysingleton.py 中，然後這樣使用：

from 
mysingleton import my_singleton
 
my_singleton.foo()

使用__new__

為了使類別只能出現一個實例，我們可以使用__new__ 來控制實例的建立過程，程式碼如下：

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

在上面的程式碼中，我們將類別的實例和一個類別變數_instance 關聯起來，如果cls._instance 為None 則建立實例，否則直接傳回 cls._instance。

執行情況如下：

>>> 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）可以動態地修改一個類別或函數的功能。這裡，我們也可以使用裝飾器來裝飾某個類，使其只能產生一個實例，程式碼如下：

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，我們定義了一個裝飾器singleton，它傳回了一個內部函數getinstance，該函數會判斷某個類別是否在字典instances 中，如果不存在，則會將 cls 作為 key，cls(*args, **kw) 作為 value 存到 instances 中，否則，直接傳回 instances[cls]。

使用metaclass

元類別（metaclass）可以控制類別的建立過程，它主要做三件事：

攔截類別的回傳

的類別
用元類實現單例模式的程式碼如下：

• 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

• 小結

Python 的模組是天然的單例，這用夠例當然，我們也可以使用裝飾器、元類等方法

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