Python 设计模式——单例模式

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单例模式即确保类有且只有一个特定类型的对象，并提供全局访问点。因此通常用于日志记录、数据库操作、打印机后台处理程序等。这些程序在运行过程中只生成一个实例，避免对同一资源产生相互冲突的请求。

特点：

  • 确保类有且只有一个对象被创建
  • 为唯一对象提供访问点，令其可被全局访问
  • 控制共享资源的并行访问

经典单例模式

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class Singleton(object):
    def __new__(cls, name):
        if not hasattr(cls, 'instance'):
            cls.instance = super().__new__(cls)
        return cls.instance

    def __init__(self, name):
        self.name = name


s1 = Singleton('Singleton1')
print(s1)
# => <__main__.Singleton object at 0x7efc1b006220>
print(s1.name)
# => Singleton1

s2 = Singleton('Singleton2')
print(s2)
# => <__main__.Singleton object at 0x7efc1b006220>
print(s2.name)
# => Singleton2
print(s1.name)
# => Singleton2

在上面的代码中，通过定义 __new__ 方法控制对象的创建。方法 hasattr 则用于检查对象 cls 是否具有 instance 属性（即确认该类是否已经生成了一个对象）。若 instance 属性不存在，则使用 super().__new__() 方法创建新的实例；若 instance 属性存在，则分配已有的实例给变量。
因此当 s2 = Singleton('Singleton2') 执行时，hasattr 发现对象实例已存在（s1），因此直接将已有的对象分配给 s2。s1 和 s2 实际是同一个对象实例。

Monostate（单态）模式

Monostate 模式即类的所有实例对象共享相同的状态。

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class Borg:
    __shared_state = {}
    def __init__(self):
        self.__dict__ = self.__shared_state

b = Borg()
b1 = Borg()

print(b is b1)  # => False
b.x = 4
print(b.x)      # => 4
print(b1.x)     # => 4
b1.x = 6
print(b1.x)     # => 6
print(b.x)      # => 6

在上述代码中，通过将类变量 __shared_state 赋值给实例变量 __dict__（__dict__ 变量用于存储实例对象的属性等状态），使得类生成的所有对象实例都共享同一状态。
即 b 和 b1 是 Borg 类创建的不同的实例对象，但用于保存实例状态的 b.__dict__ 和 b1.__dict__ 却是相同的（即都是 Borg.__shared_state）。因此 b 的属性 x 若发生改变，同样的变化也会体现到 b1 中。

也可以通过修改 __new__ 方法来实现 Borg 模式：

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class Borg:
    __shared_state = {}
    def __new__(cls, name):
        obj = super().__new__(cls)
        obj.__dict__ = cls.__shared_state
        return obj

    def __init__(self, name):
        self.name = name


b1 = Borg('Borg1')
print(b1.name)   # => Borg1
b2 = Borg('Borg2')
print(b2.name)   # => Borg2
print(b1.name)   # => Borg2
b1.name = 'Borg'
print(b1.name)   # => Borg
print(b2.name)   # => Borg
print(b1 is b2)  # => False

通过元类实现单例模式

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class MetaSingleton(type):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        self.__instance = None

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if not self.__instance:
            self.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)
        return self.__instance


class Logger(metaclass=MetaSingleton):
    pass


logger1 = Logger()
logger2 = Logger()
print(logger1, logger2)
# => <__main__.Logger object at 0x7fac8af577c0> <__main__.Logger object at
# 0x7fac8af577c0>
print(logger1 is logger2)  # => True

单例模式的实际应用

DB 操作

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import sqlite3

class MetaSingleton(type):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        self.__instance = None

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if not self.__instance:
            self.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)
        return self.__instance


class Database(metaclass=MetaSingleton):
    connection = None
    def connect(self):
        if self.connection is None:
            self.connection = sqlite3.connect("db.sqlite3")
            self.cursorobj = self.connection.cursor()
        return self.cursorobj


db1 = Database().connect()
db2 = Database().connect()

print(db1, db2)
# => <sqlite3.Cursor object at 0x7f810d6f8260> <sqlite3.Cursor object at
# 0x7f810d6f8260>
print(db1 is db2)
# => True

监控服务

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class HealthCheck:
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not HealthCheck._instance:
            HealthCheck._instance = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        return HealthCheck._instance

    def __init__(self):
        self._servers = []

    def addServer(self):
        self._servers.append("Server 1")
        self._servers.append("Server 2")
        self._servers.append("Server 3")
        self._servers.append("Server 4")

    def changeServer(self):
        self._servers.pop()
        self._servers.append("Server 5")

hc1 = HealthCheck()
hc2 = HealthCheck()

hc1.addServer()
print("Schedule health check for servers (1) ...")
for i in range(4):
    print("Checking ", hc1._servers[i])

hc2.changeServer()
print("Schedule health check for servers (2) ...")
for i in range(4):
    print("Checking ", hc2._servers[i])

# => Schedule health check for servers (1) ...
# => Checking  Server 1
# => Checking  Server 2
# => Checking  Server 3
# => Checking  Server 4
# => Schedule health check for servers (2) ...
# => Checking  Server 1
# => Checking  Server 2
# => Checking  Server 3
# => Checking  Server 5