单例模式是设计模式中的一员，它着重解决的问题是如何确保一个类只有一个实例，并且提供全局访问点。在实际开发中，我们经常会遇到需要全局唯一对象的情况，比如全局配置管理器、日志记录器、数据库连接池等。单例模式就是为了满足这种需求而诞生的，通过巧妙地控制实例的创建过程，确保只有一个实例存在，并且可以在程序的任何地方方便地获取这个实例。
文章目录
- 单例模式
- 什么是单例模式？
- 实现单例模式
- 1. 使用模块级别变量
- 2. 使用类属性
- 3. 使用装饰器
- 单例模式例子
- 1. 简单的配置管理器
- 2. 简单的日志记录器
- 3. 简单的计数器
单例模式
什么是单例模式？
单例模式是一种创建型设计模式，旨在确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。在软件开发中，有些类只需要一个全局唯一的实例，而不需要创建多个实例。单例模式就是为了满足这种需求而设计的。
使用单例模式的好处包括：
- 节省内存：由于单例模式只有一个实例，可以减少重复创建对象的内存开销。
- 全局访问：通过全局访问点，可以方便地在任何地方获取该类的实例。
- 避免竞争条件：单例模式可以防止多线程环境下的竞争条件，确保只有一个实例被创建。
实现单例模式
在 Python 中，实现单例模式有多种方法，以下是其中几种常见的方式。
1. 使用模块级别变量
Python 的模块在程序运行期间只会被加载一次，因此，可以将单例对象直接定义在模块级别变量中。
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class Singleton:
def __init__(self):
# 初始化操作
pass
# 创建单例对象
singleton_instance = Singleton()
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在其他模块中，可以直接导入 并使用 singleton_instance 对象。
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from singleton import singleton_instance
# 使用单例对象
singleton_instance.some_method()
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2. 使用类属性
在 Python 中，类的属性是共享的，因此可以将单例对象作为类属性，并通过类方法来获取该对象。
class Singleton:
_instance = None
def __new__(cls):
if cls._instance is None:
cls._instance = super().__new__(cls)
# 可以在这里进行一些初始化操作
return cls._instance
def some_method(self):
# 做一些事情
pass
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在Python中，以单下划线 _ 开头的变量通常被视为内部变量或私有变量。这是一种约定，用于指示变量或方法是类的内部实现细节，而不是供外部直接访问或使用的公共接口。
在单例模式的实现中，我们将 _instance 定义为类级别的变量，用于保存类的唯一实例。通过在变量名前面加上单下划线 _，我们暗示这是一个内部变量，不应该直接从类的外部访问或修改它，而应该通过类的特定方法来进行操作。
虽然在Python中没有真正的私有变量（所有变量都是可访问的），但约定是，如果变量以单下划线 _ 开头，则应视为类的私有变量，其他代码应尽量避免直接访问它。
实际上，如果想要模拟私有变量，并防止意外的访问，可以在变量名前面加上双下划线 __（双下划线开头的变量名将被Python解释器重写为类名 + 变量名，从而实现名称修饰）。但对于单例模式中的 _instance 变量，通常仅使用单下划线 _ 表示它是类的内部变量，而不是真正的私有变量。
使用 __new__ 方法来控制对象的创建过程，确保只有一个实例被创建。
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from singleton import Singleton
# 获取单例对象
singleton_instance = Singleton()
# 使用单例对象
singleton_instance.some_method()
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3. 使用装饰器
装饰器是 Python 的一种强大特性，可以在函数或类上增加额外的功能。通过装饰器，我们可以实现一个简单的单例模式。
def singleton(cls):
instances = {}
def get_instance(*args, **kwargs):
if cls not in instances:
instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
return instances[cls]
return get_instance
@singleton
class Singleton:
def __init__(self):
# 初始化操作
pass
def some_method(self):
# 做一些事情
pass
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使用 @singleton 装饰器来标记类为单例，当创建实例时，装饰器会确保只有一个实例被创建。
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from singleton import Singleton
# 获取单例对象
singleton_instance = Singleton()
# 使用单例对象
singleton_instance.some_method()
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单例模式例子
当涉及到单例模式时，实现方式并不复杂。以下是几个简单的Python代码示例，增加了中文注释：
1. 简单的配置管理器
class ConfigManager:
_instance = None
def __new__(cls):
# 如果还没有实例化过，则创建一个新实例
if cls._instance is None:
cls._instance = super().__new__(cls)
# 初始化配置信息字典
cls._instance._config = {}
return cls._instance
def set_config(self, key, value):
# 设置配置信息的键值对
self._config[key] = value
def get_config(self, key):
# 获取配置信息的值
return self._config.get(key)
# 使用配置管理器设置和获取配置信息
config_manager = ConfigManager()
# 设置配置信息
config_manager.set_config('debug_mode', True)
config_manager.set_config('log_level', 'INFO')
# 获取配置信息
debug_mode = config_manager.get_config('debug_mode')
log_level = config_manager.get_config('log_level')
# 输出配置信息
print(debug_mode) # 输出：True
print(log_level) # 输出：INFO
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2. 简单的日志记录器
class Logger:
_instance = None
def __new__(cls):
# 如果还没有实例化过，则创建一个新实例
if cls._instance is None:
cls._instance = super().__new__(cls)
# 初始化日志数据列表
cls._instance._log_data = []
return cls._instance
def log(self, message):
# 记录日志信息
self._log_data.append(message)
def get_logs(self):
# 获取已记录的日志信息
return self._log_data
# 使用日志记录器记录和获取日志信息
logger = Logger()
# 记录日志
logger.log('应用程序启动')
logger.log('正在处理数据...')
logger.log('应用程序完成')
# 获取日志信息
logs = logger.get_logs()
# 输出日志信息
for log in logs:
print(log)
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输出：
应用程序启动
正在处理数据...
应用程序完成
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3. 简单的计数器
class Counter:
_instance = None
def __new__(cls):
# 如果还没有实例化过，则创建一个新实例
if cls._instance is None:
cls._instance = super().__new__(cls)
# 初始化计数值为0
cls._instance._count = 0
return cls._instance
def increment(self):
# 增加计数值
self._count += 1
def get_count(self):
# 获取当前计数值
return self._count
# 使用计数器增加和获取计数值
counter = Counter()
# 增加计数值
counter.increment()
counter.increment()
counter.increment()
# 获取计数值
count = counter.get_count()
print(count) # 输出：3
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补充：
__init__和__new__都是Python中的特殊方法，用于在创建对象时进行不同的操作。
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__new__方法：
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__new__是一个类级别的方法，用于创建一个新的实例对象。它在实例化对象之前调用，并返回一个新的实例。这个方法是一个静态方法，第一个参数是类本身（通常命名为cls），其后是其余的初始化参数。 -
__new__的主要作用是控制对象的创建过程，可以通过返回不同的实例对象来实现特殊的对象创建方式。在一般情况下，我们不需要自己去实现__new__方法，因为Python会自动帮我们创建实例并调用__init__方法进行初始化。 -
如果
__new__返回一个已存在的实例对象，则会直接调用该实例的__init__方法，不会再创建新的实例。
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__init__方法：
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__init__是一个实例级别的方法，用于对新创建的实例进行初始化操作。它在对象创建之后调用，接收创建好的实例作为第一个参数（通常命名为self），其后是其他的初始化参数。 -
__init__主要用于设置对象的初始状态，对对象的属性进行赋值和其他初始化操作。 -
通常情况下，我们会自定义
__init__方法来在对象创建后初始化对象的状态，但不需要显式地调用它，因为在对象创建时，Python会自动调用__init__方法。
简而言之，__new__ 方法用于创建对象，控制对象的创建过程，并返回一个新的实例；而 __init__ 方法用于初始化对象，在对象创建后对其进行一些设置和赋值操作。两者在对象创建时的执行顺序是：__new__ 先于 __init__。