单例模式

发布于: 2020 年 07 月 16 日
单例模式

前言

单例模式应该是所有接触的设计模式初学者第一个听过的设计模式,这个模式应该是所有设计模式中最简单的一个模式了。值得注意的是,许多开发者将单例模式视为一种反模式,因此单例模式在 Python 中的使用频率现在越来越少了。<br />

反模式(英文:Anti-patterns或pitfalls), 是指用来解决问题的带有共同性的不良方法。它们已经经过研究并分类,以防止日后重蹈覆辙,并能在研发尚未投产时辨认出来。软件开发中公认的反模式

意图

保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全剧访问点。

UML 图

简单看一下单例模式的 UML 图

应用场景

单例模式最常使用的场景就是连接数据库以及日志等等,单例模式使用的场景通常有以下几个特点

  • 需要频繁实例化然后销毁的对象。 

  • 创建对象时耗时过多或者耗资源过多,但又经常用到的对象。 

  • 有状态的工具类对象。 

  • 频繁访问数据库或文件的对象。 

代码

接下来让我们通过代码实现一个单例模式

简单单例模式

class SingletonMeta(type):
_instances = {}
def __call__(cls, *args, **kwargs):
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_action(self):
pass
if __name__ == "__main__":
s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
if id(s1) == id(s2):
print("Singleton works")
else:
print("Singleton failed")

看一下输出:

Singleton works

线程安全单例模式

上面的单例模式可能会在多线程环境中出错,所以为了解决这个问题,我们将单例模式再升级一下<br />

from threading import Lock, Thread
class SingletonMeta(type):
_instances = {}
_lock: Lock = Lock()
def __call__(cls, *args, **kwargs):
with cls._lock:
if cls not in cls._instances:
instance = super().__call__(*args, **kwargs)
cls._instances[cls] = instance
return cls._instances[cls]
class Singleton(metaclass=SingletonMeta):
value: str = None
def __init__(self, value: str) -> None:
self.value = value
def some_action(self):
pass
def test_singleton(value: str) -> None:
singleton = Singleton(value)
print(singleton.value)
if __name__ == "__main__":
# 由于是单例模式,预期两个线程输出的结果应该一样,都是第一个 FOO
process1 = Thread(target=test_singleton, args=("FOO",))
process2 = Thread(target=test_singleton, args=("BAR",))
process1.start()
process2.start()

看一下输出结果:

FOO
FOO

总结

单例模式优缺点

优点

  • 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。

缺点

  • 违反了单一职责原则

  • 单例模式可能掩盖不良设计, 可能会隐藏类之间的依赖关系。

  • 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。

  • 单例不支持有参数的构造函数,比如我们创建一个连接池的单例对象,我们没法通过参数来指定连接池的大小。

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