你是否真的理解单例模式？

Posted 2021-05-01 Python七号

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随便抓住一个程序员，让他说一下最熟悉的三种设计模式，其中肯定会有单例模式。网上有很多文章讲解什么是单例模式，怎么实现的，但涉及以下问题的回答，却非常少见。

1、为什么要使用单例？

单例模式就是一个类只允许创建一个实例，那这个类就是单例类，这样的设计模式就是单例模式。为什么要使用单例，主要有两个原因，一是可以用来解决资源冲突，比如，两个对象同时写入日志文件，或者对共享变量执行修改，可能存在相互覆盖的情况，单例模式只会产生一个对象，这个对象统一来访问共享资源或竞争资源，就可以避免出现相互覆盖的情况，另外单例不会产生过多的对象，节省内存，由于 new 操作的次数减少，也可以减轻 GC 压力。二是表示全局唯一类，有些数据在系统中只应该保留一份，此时就应该设计成单例类，比如配置文件，全局 ID 生成器。

2、单例存在哪些问题？

大部分情况下，使用单例类都是用它表示全局唯一类，比如配置信息类，连接池类，ID 生成器类，单例模式虽然使用方便，但也会带来问题，比如，对面向对象的特性支持不好，单例对抽象，继承，多态的支持都不好，单例还会隐藏类之间的依赖关系，对代码的扩展性不好，单例还对代码的可测试性不友好，不支持有参数的构造函数。

3、有哪些可以替代单例的方案？

比如保证全局唯一，除了单例，我们还可以使用静态方法。也可以将一个类的对象通过对构造函数传入参数的形式传给其他类，确保该类只有一个对象。工厂模式也是一种选择。程序员自己控制只生成一个对象也是一种选择。

4、如何理解单例模式中的唯一性？

5、如何实现线程唯一的单例？

单例类默认是进程内只存在唯一的对象，进程又包含一个或多个线程，这也意味着在线程间也是唯一的，那么如何改进，实现线程内唯一，线程间不唯一的单例呢？其实也非常简单，我们只需借助一个字典，将线程 ID 作为键，单例类对象作为值进行存储，这样就可以做到相同的线程对应相同的单例对象。

6、如何在集群环境中实现单例？

刚才说了进程内唯一，线程内唯一，现在提到的集群环境中实现单例，就是集群内唯一，实质就是进程间唯一。进程之间是不共享内存的，那就需要借助外部存储来实现，比如文件或数据库，或像 redis 一样具有存储功能的中间件。我们把单例类对象通过序列化保存在外部存储，进程在使用这个单例类对象时先访问外部存储，然后反序列化成对象使用，使用完成后在序列化保存在外部存储。

为了保证任何时刻，在进程之间只有一份对象存在，一个进程在反序列化获取对象之后需要对对象加锁，防止其他进程获取该对象，使用完后序列化保存到外部存储，然后显式的从内存中删除对象（instance = None），并释放锁。

7、如何实现一个多例模式？

多例模式是指一个类可以实例化指定个数的对象，比如一个类被限制为只能实例化 3 个对象。常见的使用场景是日志，比如 logger= logging.getLogger("logger name")，这里传入不同的logger name，获得的 logger 是不同的对象，传入同一个 logger name 得到同一个对象。可以理解为同一个类型只能创建一个对象，不同的类型创建不同的对象。这里的类型就是我们自己定义的，体现多例模式中的多。具体实现方法同样是借助字典，把类型作为键，把实例化的对象作为值，通过控制键的个数来控制对象的个数。

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