Python 实现 Singleton 模式的几种方式，正在准备面试

作者：程序媛可鸥

2022 年 3 月 18 日
本文字数：2827 字
阅读完需：约 9 分钟

在 python 中我们经常只需要实现一个装饰器，然后使用该装饰器作用于只能有唯一一个实例的类。这样只需要实现一个这样的装饰器，便可以作用于任何一个想要唯一实例的类。

2.闭包方式

闭包的应用很多，单例模式则是其应用之一。先看代码：

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def singleton(cls):

instances = {}

def getinstance(*args, **kwargs):

if cls not in instances:

instances[cls] = cls(*args, **kwargs)

return instances[cls]

return getinstance

@singleton

class my_cls(object):

pass

这个实现单例模式的方式将原来类的定义隐藏在闭包函数中，通过闭包函数及其中引用的自由变量来控制类对象的生成。由于唯一的实例存放在自由变量中，而且自由变量是无法直接在脚本层进行访问的。这种方式非常隐蔽的保护实例不被修改，因此很适合用于单例模式。

这种方式简单明了，很容易实现。但是如果不了解闭包实现过程和变量的绑定等概念可能会不明白其实现的过程。建议参考一下我的另一篇博文：理解 python 闭包概念。

这里一个很有趣的地方是为什么要使用 instances = {}这样一个变量？可不可以不用字典，使用 instance

= None？如果 singleton 作为装饰器被多个不同的类使用，那么 instance 中会存在几个不同的实例么？

有时间可以思考一下这几个问题，答案也可以在我写的闭包相关的博文中找到。

3.元类方式

所谓单例模式，即我们需要控制类实例的生成过程，并且保证全局只可能存在一个唯一的实例。既然需要在创建类的对象过程中做些什么，应该很容易想到元类。

class Singleton(type):

def init(cls, name, bases, dic):

super(Singleton, cls).init(name, bases, dic)

cls._instance = None

def call(cls, *args, **kwargs):

if cls._instance is None:

cls._instance = super(Singleton, cls).call(*args, **kwargs)

cls._instance = cls(*args, **kwargs) # Error! Lead to call this function recursively

return cls._instance

class my_cls(object):

metaclass = Singleton

这个例子中我们使用元类 Singleton 替代默认使用 type 方式创建类my_cls。可以将类 my_cls 看做是元类 Singleton 的一个对象，当我们使用my_cls(...)的方式创建类my_cls的对象时，实际上是在调用元类 Singleton 的对象 my_cls。

对象可以以函数的方式被调用，那么要求类中定义__call__函数。不过此处被调用的是类，因此我们在元类中定义函数__call__来控制类my_cls对象创建的唯一性。

这种方式的弊端之一就是类唯一的对象被存放在类的一个静态数据成员中，外部可以通过class_name._instance的方式修改甚至删除这个实例(该例中my_cls._instance = None完全合法)。

4.类作为装饰器之__call__方式

不仅函数可以作为装饰器，类也可以作为装饰器。

下面简单的介绍一下使用类作为装饰器实现单例模式的另一种方式。

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class Singleton(object):

_INSTANCE = {}

def init(self, cls):

self.cls = cls

def call(self, *args, **kwargs):

instance = self._INSTANCE.get(self.cls, None)

if not instance:

instance = self.cls(*args, **kwargs)

self._INSTANCE[self.cls] = instance

return instance

def getattr(self, key):

return getattr(self.cls, key, None)

@Singleton

class my_cls(object):

pass

函数作为装饰器返回的是一个函数，函数被调用过程中实际上是间接地调用其内部包裹的被装饰的对象。

类作为装饰器要想达到相同的效果只需要将类的对象返回，并且其对象是可以调用的。这是上面这个例子表达的一个核心思想。

这种方式写法很多，也很灵活，其思想基本上就是对被包裹对象的调用实际上调用的是类对象的__call__函数，该函数实际上是对被装饰对象的一次封装。

5.类本身实现方式

上面的例子中我们都是使用的装饰器或者元类的方式间接的通过控制类对象生成的方式来保证对象的唯一性，那么有没有办法直接在类中通过某种方式保证类对象的唯一性？

答案是肯定的。参考我之前写的一篇介绍元类的文章，可知生成对象前会调用函数__new__，如果__new__函数返回被创建的对象，那么会自动调用类中定义的__init__函数进行对象的初始化操作。

相信读了上面这句话，应该知道我们接下来要干什么了？没错，我们的目标就是__new__。

class MSC(object):

_INSTANCE = None

def new(cls, *args, **kwargs):

if not cls._INSTANCE:

cls._INSTANCE = super(MSC, cls).new(cls, *args, **kwargs)

cls._INSTANCE.args = args

cls._INSTANCE.kwargs = kwargs

return cls._INSTANCE

def init(self, *args, **kwargs):

pass

在这个例子中，我们完全可以理解为什么只会有一个类的对象会被创建。这种方式的定义决定了类本身只能被创建一个对象。

但是这里有一点需要注意，那就是不管创建多少 MSC 的对象，至始至终只会有一个对象，但是如果每次创建的时候传入的参数都不同，也就是__init__函数中参数不同，会导致同一个对象被多次初始化。

这种方式的弊端显然很明显，那就是该方法只能作用于单个类的定义。不能像上面的装饰器和元类，一次实现，可以到处使用。

那能不能将这个控制类生成过程的结构单独抽象出来呢？而且有没有什么方法能防止同一个对象多次被__init__初始化。下面我们看一种能被不同的类使用的更加抽象的结构。

最后

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