python面向对象, 单例模式

Posted 2020-10-28 cameron

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单利模式

单例模式：是一种常用的软件设计模式，该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你希望在整个系统中，某个类只能出现一个实例时，单例对象就能派上用场。
单例模式的特点：

• 一、某个类只能有一个实例；
• 二、他必须自行创建这个实例；
• 三、它必须自行想整个系统提供这个实例；

实现单利模式的方法

• 使用模块
• 使用__new__
• 使用装饰器(decorator)
• 使用元类(metaclass)

使用模块

在模块第一次导入时，会生成.pyc文件，当第二次导入时，就会一直加载.pyc文件，而不会再一次执行本次代码。因此，我们只获得了一个单例模式。
例如：

#mysingleton.py
class MySingleton(object):
    def foo(self):
        print("My singleton")
mysingleton = MySingleton()

#main.py
from mysingleton import mysingleton
mysingleton.foo()

使用__new__
为了使类只能出现一个实例，我们可以使用 new 来控制实例的创建过程，代码如下：

class Singleton(object):
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kw):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)  
            #这里的super的意思是，该怎么走就怎么走。
        return cls._instance  
class MyClass(Singleton):  
    a = 1

在上面的代码中，我们将类的实例和一个类变量 _instance 关联起来，如果 cls._instance 为 None 则创建实例，否则直接返回 cls._instance。
执行情况：

>>> one = MyClass()
>>> two = MyClass()
>>> one == two
True
>>> one is two
True
>>> id(one), id(two)
(4303862668, 4303862668)

使用装饰器

我们知道，装饰器（decorator）可以动态地修改一个类或函数的功能。这里，我们也可以使用装饰器来装饰某个类，使其只能生成一个实例，代码如下：

from functools import wraps
 
 
def singleton(cls):
    instances = {}
 
    @wraps(cls)
    def getinstance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]
 
    return getinstance

@singleton
class MyClass(object):
    a = 1

在上面，我们定义了一个装饰器 singleton，它返回了一个内部函数 getinstance，该函数会判断某个类是否在字典 instances 中，如果不存在，则会将 cls 作为 key，cls(*args, **kw) 作为 value 存到 instances 中，否则，直接返回 instances[cls]。

使用 metaclass

元类（metaclass）可以控制类的创建过程，它主要做三件事：

• 拦截类的创建
• 修改类的定义
• 返回修改后的类

用元类实现单例模式的代码：

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]
 
 
# Python2
# class MyClass(object):
#     __metaclass__ = Singleton
 
# Python3
class MyClass(metaclass=Singleton):
   pass

优点

• 一、实例控制
  单例模式会组织其他对象实例化自己的单例对象的副本，从而确保对所有对象都访问唯一实例。
• 二、灵活性
  因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。
  缺点
• 一、开销
  虽然开销数量小，但是如果每次对对象请求都要检查是否存在类的实例，仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。
• 二、可能的开发混淆
  使用单例对象（尤其是在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住不能使用new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己五发直接实例化此类。
• 三、对象生存周期
  不能解决删除对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含该实例的私有化引用。在某些语言中（如C++）,其他类可以删除对象实例，但这样会导致实例类中出现悬浮引用。

补充：元类(metaclass)

注释：
?类也是对象；只要你使用关键字class,python解释器在执行的时候就好会创建一个对象。
例如：

class Foo(object):
    pass

这段代码将在内存中创建于一个对象，名字为Foo。这个对象（类）自身拥有创建类对象（类实力）的能力，而这就是为什么他是一个类的原因。但是，他本质仍然时一个对象，于是乎你可以对它的操作如下

• 将它复制给一个变量
• 拷贝
• 增加它的属性
• 将他作为函数进行传递

>>> class Foo(object):
...     pass
...
>>> print(Foo)    # 打印一个类，因为他是一个对象
<class '__main__.Foo'>
##########################################
>>> def echo(o):
...     print(o)
...
>>> echo(Foo)     # 将类当作参数传给函数
<class '__main__.Foo'>
#########################################
>>> Foo.new_attribute = "foo"   # 增加类的属性
>>> print(hasattr(Foo,"new_attribute"))
True
>>> print(Foo.new_attribute)
foo
##########################################
MyFoo = Foo
print(MyFoo())  # 可以将类赋值给一个变量

动态地创建类
因为类也是对象，可以在运行时动态创建他们，就像其他任何对象一样。首先，你可以在函数中创建类，使用class关键字即可。

def choose_class(name):
    if name == 'foo':
        class Foo(object):
            pass
        return Foo  # 返回的是类，不是类的实例
    else:
        class Bar(object):
            pass
 
        return Bar
 
MyClass = choose_class('foo')
print(MyClass)      # 函数返回的是类，不是类的实例
# <class '__main__.choose_class.<locals>.Foo'>
 
print(MyClass())    # 你可以通过这个类创建类实例，也就是对象
# <__main__.choose_class.<locals>.Foo object at 0x00000000021E5CF8>

type动态创建类。
type可以这样工作

type(类名, 父类的元组（针对继承的情况，可以为空），包含属性的字典（名称和值）)

例如下面的代码：

class MyTypeClass(object):
    pass

可以用type的方式去创建：

>>> MyTypeClass = type("MyTypeClass",(),{})  # 返回一个对象
>>> print(MyTypeClass)
<class '__main__.MyTypeClass'>

>>> print(MyTypeClass())  # 创建一个类的实例
<__main__.MyTypeClass object at 0x0542A590>

type接收一个字典来为类定义属性，因此：

class Foo(object):
    bar = True

可以翻译为：

Foo = type("Foo",(),{"bar":True})

也可以将Foo当成一个普通类使用：

class Foo(object):
    bar = True
>>> print(Foo)
<class '__main__.Foo'>
>>> print(Foo.bar)
True
>>>

也可以继承

class FooTwo(Foo):
    pass

也可以写成：

class Foo(object):
    bar = True

FooTwo = type("FooTwo",(Foo,),{})
>>> print(FooTwo)
<class '__main__.FooTwo'>
>>> print(FooTwo.bar)     # bar属性由Foo继承而来
True

在python中，类也是对象，你可以动态的创建类。这就是你使用关键字class时python在幕后做的事情，而这就通过元类实现的。
什么时元类，元类就是用来创建类的东西。元类就是类的类。
函数type实际上时一个元类。type就是python在背后用来创建所有类的元类。
type就是创建类对象的类，可以用__class__属性来看到这一点。
python中所有的东西，注意这里的东西都是对象。包括整数，字符串，函数以及类，他们全都是对象，而且他们都是一个类创建而来。

age = 35
print(age.__class__)    #<class 'int'>
 
name = 'bob'
print(name.__class__)   #<class 'str'>
 
def foo():
    pass
print(foo.__class__)    #<class 'function'>
 
class Bar(object):
    pass
b = Bar()
print(b.__class__)      #<class '__main__.Bar'>

现在，对于任何一个__class__的__class__属性又是什么呢。

print(age.__class__.__class__)  #<class 'type'>
print(name.__class__.__class__) #<class 'type'>
print(foo.__class__.__class__)  #<class 'type'>
print(b.__class__.__class__)    #<class 'type'>

因此，元类就是创建类这种对象的东西。
type就是python得内建元类，当然你可以创建自己的元类。
__metaclass__属性
你可以在写一个类得时候为其添加__metaclass__属性。

class Foo(object):
    __metaclass__ = something...

Python会在类的定义中寻找__metaclass__属性，如果找到了，Python就会用它来创建类Foo，如果没有找到，就会用内建的type来创建这个类。

注：本片博客借鉴网友一片博客，地址找不到了。