摘要：本篇文章總結(jié)了目前主流的實(shí)現(xiàn)單例模式的方法供讀者參考。使用實(shí)現(xiàn)單例模式同樣，我們?cè)陬惖膭?chuàng)建時(shí)進(jìn)行干預(yù)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)單例的目的。

很多初學(xué)者喜歡用 全局變量 ，因?yàn)檫@比函數(shù)的參數(shù)傳來傳去更容易讓人理解。確實(shí)在很多場(chǎng)景下用全局變量很方便。不過如果代碼規(guī)模增大，并且有多個(gè)文件的時(shí)候，全局變量就會(huì)變得比較混亂。你可能不知道在哪個(gè)文件中定義了相同類型甚至重名的全局變量，也不知道這個(gè)變量在程序的某個(gè)地方被做了怎樣的操作。

因此對(duì)于這種情況，有種更好的實(shí)現(xiàn)方式：
單例（Singleton）

單例是一種 設(shè)計(jì)模式 ，應(yīng)用該模式的類只會(huì)生成一個(gè)實(shí)例。

單例模式保證了在程序的不同位置都 可以且僅可以取到同一個(gè)對(duì)象實(shí)例 ：如果實(shí)例不存在，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例；如果已存在就會(huì)返回這個(gè)實(shí)例。因?yàn)閱卫且粋€(gè)類，所以你也可以為其提供相應(yīng)的操作方法，以便于對(duì)這個(gè)實(shí)例進(jìn)行管理。

舉個(gè)例子來說，比如你開發(fā)一款游戲軟件，游戲中需要有“場(chǎng)景管理器”這樣一種東西，用來管理游戲場(chǎng)景的切換、資源載入、網(wǎng)絡(luò)連接等等任務(wù)。這個(gè)管理器需要有多種方法和屬性，在代碼中很多地方會(huì)被調(diào)用，且被調(diào)用的必須是同一個(gè)管理器，否則既容易產(chǎn)生沖突，也會(huì)浪費(fèi)資源。這種情況下，單例模式就是一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)方法。

單例模式廣泛應(yīng)用于各種開發(fā)場(chǎng)景，對(duì)于開發(fā)者而言是必須掌握的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)在很多面試中，也是常見問題。本篇文章總結(jié)了目前主流的實(shí)現(xiàn)單例模式的方法供讀者參考。

希望看過此文的同學(xué)，在以后被面到此問題時(shí)，能直接皮一下面試官，“我會(huì) 4 種單例模式實(shí)現(xiàn)，你想聽哪一種？”

以下是實(shí)現(xiàn)方法索引：

使用函數(shù)裝飾器實(shí)現(xiàn)單例

使用類裝飾器實(shí)現(xiàn)單例

使用 new 關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)單例

使用 metaclass 實(shí)現(xiàn)單例

以下是實(shí)現(xiàn)代碼：

def singleton(cls):
    _instance = {}

    def inner():
        if cls not in _instance:
            _instance[cls] = cls()
        return _instance[cls]
    return inner
    
@singleton
class Cls(object):
    def __init__(self):
        pass

cls1 = Cls()
cls2 = Cls()
print(id(cls1) == id(cls2))

輸出結(jié)果：

True

在 Python 中，id 關(guān)鍵字可用來查看對(duì)象在內(nèi)存中的存放位置，這里 cls1 和 cls2 的 id 值相同，說明他們指向了同一個(gè)對(duì)象。

關(guān)于裝飾器的知識(shí)，有不明白的同學(xué)可以查看之前的文章 【編程課堂】裝飾器淺析 或者使用搜索引擎再學(xué)習(xí)一遍。代碼中比較巧妙的一點(diǎn)是:

_instance = {}

使用不可變的 類地址 作為鍵，其實(shí)例作為值，每次創(chuàng)造實(shí)例時(shí)，首先查看該類是否存在實(shí)例，存在的話直接返回該實(shí)例即可，否則新建一個(gè)實(shí)例并存放在字典中。

代碼：

class Singleton(object):
    def __init__(self, cls):
        self._cls = cls
        self._instance = {}
    def __call__(self):
        if self._cls not in self._instance:
            self._instance[self._cls] = self._cls()
        return self._instance[self._cls]

@Singleton
class Cls2(object):
    def __init__(self):
        pass

cls1 = Cls2()
cls2 = Cls2()
print(id(cls1) == id(cls2))

同時(shí)，由于是面對(duì)對(duì)象的，這里還可以這么用

class Cls3():
    pass

Cls3 = Singleton(Cls3)
cls3 = Cls3()
cls4 = Cls3()
print(id(cls3) == id(cls4))

使用 類裝飾器實(shí)現(xiàn)單例的原理和 函數(shù)裝飾器 實(shí)現(xiàn)的原理相似，理解了上文，再理解這里應(yīng)該不難。

在接著說另外兩種方法之前，需要了解在 Python 中一個(gè)類和一個(gè)實(shí)例是通過哪些方法以怎樣的順序被創(chuàng)造的。

簡(jiǎn)單來說， 元類 ( metaclass ) 可以通過方法 metaclass 創(chuàng)造了 類(class) ，而 類(class) 通過方法 new 創(chuàng)造了 實(shí)例(instance) 。

在單例模式應(yīng)用中，在創(chuàng)造類的過程中或者創(chuàng)造實(shí)例的過程中稍加控制達(dá)到最后產(chǎn)生的實(shí)例都是一個(gè)對(duì)象的目的。

本文主講單例模式，所以對(duì)這個(gè) topic 只會(huì)點(diǎn)到為止，有感興趣的同學(xué)可以在網(wǎng)上搜索相關(guān)內(nèi)容，幾篇參考文章：

What are metaclasses in Python?

https://stackoverflow.com/questions/100003/what-are-metaclasses-in-python

python-__new__-magic-method-explained

http://howto.lintel.in/python-__new__-magic-method-explained/

Why is __init__() always called after __new__()?

https://stackoverflow.com/questions/674304/why-is-init-always-called-after-new

使用 new 方法在創(chuàng)造實(shí)例時(shí)進(jìn)行干預(yù)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)單例模式的目的。

class Single(object):
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kw):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = object.__new__(cls, *args, **kw)
        return cls._instance
    def __init__(self):
        pass

single1 = Single()
single2 = Single()
print(id(single1) == id(single2))

在理解到 new 的應(yīng)用后，理解單例就不難了，這里使用了

_instance = None

來存放實(shí)例，如果 _instance 為 None，則新建實(shí)例，否則直接返回 _instance 存放的實(shí)例。

同樣，我們?cè)陬惖膭?chuàng)建時(shí)進(jìn)行干預(yù)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)單例的目的。

在實(shí)現(xiàn)單例之前，需要了解使用 type 創(chuàng)造類的方法，代碼如下：

def func(self):
    print("do sth")

Klass = type("Klass", (), {"func": func})

c = Klass()
c.func()

以上，我們使用 type 創(chuàng)造了一個(gè)類出來。這里的知識(shí)是 mataclass 實(shí)現(xiàn)單例的基礎(chǔ)。

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]

class Cls4(metaclass=Singleton):
    pass

cls1 = Cls4()
cls2 = Cls4()
print(id(cls1) == id(cls2))

這里，我們將 metaclass 指向 Singleton 類，讓 Singleton 中的 type 來創(chuàng)造新的 Cls4 實(shí)例。

本文雖然是講單例模式，但在實(shí)現(xiàn)單例模式的過程中，涉及到了蠻多高級(jí) Python 語法，包括裝飾器、元類、new、type 甚至 super 等等。對(duì)于新手同學(xué)可能難以理解，其實(shí)在工程項(xiàng)目中并不需要你掌握的面面俱到，掌握其中一種，剩下的作為了解即可。

by 周鑫鑫

關(guān)于更多的設(shè)計(jì)模式，給初學(xué)者推薦《 Head First 設(shè)計(jì)模式 》（Head First Design Patterns），此書淺顯易懂，在 Head First 系列書籍里面也算是很好的一本。

我們的資源網(wǎng)盤里有電子版，獲取地址請(qǐng)?jiān)诠娞?hào)（ Crossin的編程教室 ）里回復(fù)關(guān)鍵字： 資源

════
其他文章及回答：

如何自學(xué)Python | 新手引導(dǎo) | 精選Python問答 | Python單詞表 | 區(qū)塊鏈 | 人工智能 | 雙11 | 嘻哈 | 爬蟲 | 排序算法

歡迎搜索及關(guān)注： Crossin的編程教室