Python入门之Python的单例模式和元类
tags:
篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Python入门之Python的单例模式和元类相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
本章内容
一、单例模式
二、元类
=============================
一、单例模式
单例模式(Singleton Pattern)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。例如,某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中,客户通过一个AppConfig的类来读取配置文件的信息。如果在程序运行期间,有很多地方需要使用配置文件的内容,也就是说,很多地方都需要创建AppConfig对象的实例,这就导致系统中存在多个AppConfig的实例对象,而这样会严重浪费内存资源,尤其实在配置文件内容很多的情况下。事实上,类似AppConfig这样的类,我们希望在程序运行期间只存在一个实例对象。
单例模式的要点有三个,一个是某个类只能有一个实例,二是它必须自行创建这个实例,三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
在Python中,我们可以使用多种方法来实现单例模式:
1. 使用模块
2. 使用__new__方法
3. 使用装饰器decorator
4. 使用元类metaclass
1.使用模块
其实,Python的模块就是天然的单例模式。
因为模块在第一次导入的时候,会生成.pyc文件,当第二次导入时,就会直接加载.pyc文件,而不会再次执行模块代码。因此,我们只需要把相关的函数和数据定义在一个模块中,就可以获得一个单例对象。
如果我们真的想要一个单例类,可以考虑这样做:
class MyClass(object): def foo(self): print(‘MyClass.foo‘) my_class_obj = MyClass()
将上面的代码保存在文件test1.py中,然后这样使用:
from .test1 import my_class_obj my _class_obj.foo()
2.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 MyClass(object): _instance = None def __new__(cls, *args, **kwargs): if not cls._instance: cls._instance = super(MyClass, cls).__new__(cls, *args, **kwargs) return cls._instance class HerClass(MyClass): 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。
执行情况如下:
one = HerClass() two = HerClass() print(one == two) #True print(one is two) #True print(id(one) == id(two)) #True
3. 使用装饰器
我们知道,装饰器decorator可以动态地修改一个类或者函数的功能。
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): instance = {} #创建字典,盛放单例 @wraps def getinstance(*args,**args): if cls not in instance: #cls不在字典 instances[cls] = cls(*args, **kwargs) #以cls为key,cls(*args, **kwargs) 为值放入盛放单例的字典 return getinstance[cls] return getinstance @singleton class MyClass(object): a = 1
在上面,我们定义要给装饰器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instance中,如果不存在,则会将cls作为key, cls(*args,**kwargs)作为value存到instance中,否则,直接返回instance[cls]。
4. 使用metaclass
元类metaclass,可以控制类的创建过程,它主要做三件事:
1. 拦截类的创建
2. 修改类的定义
3. 返回修改后的类
使用元类实现单例模式的代码如下:
class Singleton(type): _instacne = {} def __call__(cls,*args,**kwargs): if cls not in cls._instance: cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args,**kwargs) #以cls为key,cls(*args, **kwargs) 为值放入盛放单例的字典 return cls._instance[cls]
#Python2 #class MyClass(object): __metaclass__ = Singleton #Python3 class MyClass(metaclass=Singleton): pass
优点:
1. 实例控制
单例模式会阻止其他对象实例化器自己的单例对象的副本,从而确保所有对象都访问唯一实例。
2. 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:
1. 开销
虽然数量很少,但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例,将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。
2. 可能的开发混淆
使用单例对象(尤其在类库中定义的对象)时,开发人员必须记住自己不能使用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无法直接实例化此类。
3. 对象生存期
不能解决删除单个对象的问题。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,因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中(例如C++),其他类可以删除对象实例,但这样会导致单例类中出现悬浮引用。
二、元类(metaclass)
1. Python中一切皆对象,类也是对象。
只要你使用关键字class,Python解释器在执行的时候会创建一个对象。
下面的代码段:
class MyClass(object): pass
在内存中创建一个对象,名字就是MyClass。这个对象(类)自身拥有创建对象(类实例)的能力,而这就是为什么它是一个类的原因。但是,它本质仍然是一个对象,于是你可以对它做如下操作:
1. 你可以将它赋值给一个变量
2. 你可以拷贝它
3. 你可以为它增加属性
4. 你可以将它作为函数参数进行传递
class MyClass(object): pass print(MyClass) # 你可以打印这个类,因为它是对象 # <class ‘__main__.MyClass‘> def echo(o): print(o) echo(MyClass) # 你可以将类作为参数传给函数 # <class ‘__main__.MyClass‘> MyClass.new_attribute = ‘foo‘ #你可以为类增加属性 print(hasattr(MyClass,‘new_attribute‘)) #True print(MyClass.new_attribute) #foo MyClassMirror = MyClass #你可以将类赋值给一个变量 print(MyClassMirror()) # <__main__.MyClass object at 0x00000000028CDE10>
2. 动态的创建类
因为类也是对象,你可以在运行时动态的创建它们,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>
但是这还不够动态。
由于类也是对象,所以它们必须通过什么东西生成才对。
还记得内建函数type吗?这个祖先级别的函数能够让你知道一个对象的类型是什么,如下代码:
print(type(1)) #<class ‘int‘> print(type(‘1‘)) ##<class ‘str‘> print(type(MyClass)) #<class ‘type‘> print(type(MyClass())) #<class ‘__main__.MyClass‘>
type也能动态的创建类。
type创建类的模版:
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))
比如下面的代码:
class MyShinyClass(object): pass
可以手动像这样创建:
MyShinyClass = type(‘MyShinyClass‘,(),{}) print(MyShinyClass) # <class ‘__main__.MyShinyClass‘> print(MyShinyClass()) # 创建一个该类的实例 # <__main__.MyShinyClass object at 0x0000000002737D68>
type接受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})
并且可以将Foo当成一个普通的类一样使用:
class Foo(object): bar=True print(Foo) #<class ‘__main__.Foo‘> print(Foo.bar) #True f=Foo() print(f) #<__main__.Foo object at 0x0000000001F7DE10> print(f.bar) #True
当然,你可以向这个类继承,所以,如下的代码:
class Foo(object): bar=True FooChild = type(‘FooChild‘, (Foo,),{}) print(FooChild) # <class ‘__main__.FooChild‘> print(FooChild.bar) # bar属性是由Foo继承而来 # True
最终你会希望为你的类增加方法。只需要定义一个有着恰当签名的函数并将其作为属性赋值就可以了。
class Foo(object): bar=True def echo_bar(self): print(self.bar) FooChild = type(‘FooChild‘, (Foo,), {‘echo_bar‘: echo_bar}) print(hasattr(Foo, ‘echo_bar‘)) #False print(hasattr(FooChild, ‘echo_bar‘)) #True my_foo = FooChild() my_foo.echo_bar() #True
你可以看到,在Python中,类也是对象,你可以动态的创建类。这就是当你使用关键字class时Python在幕后做的事情,而这就是通过元类来实现的。
到底什么是元类?
元类就是用来创建类的“东西”。元类就是类的类。
type就是创建类对象的类。你可以通过检查__class__属性来看到这一点。
Python中所有的东西,注意,我是指所有的东西——都是对象。这包括整数、字符串、函数以及类。它们全部都是对象,而且它们都是从一个类创建而来。
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的内建元类,当然了,你也可以创建自己的元类。
__metaclass__属性
你可以在写一个类的时候为其添加__metaclass__属性。
class Foo(object): __metaclass__ = something...
如果你这么做了,Python就会用元类来创建类Foo。小心点,这里面有些技巧。你首先写下class Foo(object),但是类对象Foo还没有在内存中创建。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。
class Foo(Bar): pass
Python做了如下的操作:
Foo中有__metaclass__这个属性吗?如果是,Python会在内存中通过__metaclass__创建一个名字为Foo的类对象(我说的是类对象,请紧跟我的思路)。如果Python没有找到__metaclass__,它会继续在Bar(父类)中寻找__metaclass__属性,并尝试做和前面同样的操作。如果Python在任何父类中都找不到__metaclass__,它就会在模块层次中去寻找__metaclass__,并尝试做同样的操作。如果还是找不到__metaclass__,Python就会用内置的type来创建这个类对象。
现在的问题就是,你可以在__metaclass__中放置些什么代码呢?
答案就是:可以创建一个类的东西。那么什么可以用来创建一个类呢?type,或者任何使用到type或者子类化type的东东都可以。
参考博文:http://blog.jobbole.com/21351/
以上是关于Python入门之Python的单例模式和元类的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
深刻理解Python中的元类(metaclass)以及元类实现单例模式