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Python单例模式详解：从原理到实战的完整指南

news 2025/7/20 11:44:35

引言

单例模式是软件设计中最常用的模式之一，它确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。在Python中，实现单例模式有多种优雅的方式，本文将详细讲解6种主流实现方法，包含完整代码示例和注释。

一、模块级单例（最简单实现）

原理：Python模块天然具有单例特性，因为模块只会被导入一次。

# singleton_module.py
class Singleton:def __init__(self):self.data = "Module-level Singleton"# 全局唯一实例
singleton_instance = Singleton()

# main.py
from singleton_module import singleton_instanceprint(singleton_instance.data)  # 输出: Module-level Singleton

优点：

无需额外代码，天然支持单例
简单直接，适合简单场景

缺点：

实例在模块导入时即创建，无法懒加载
灵活性较差

二、new方法实现（经典方式）

原理：通过重写__new__方法控制实例创建过程

class Singleton:_instance = Nonedef __new__(cls, *args, **kwargs):if not cls._instance:cls._instance = super().__new__(cls)cls._instance._initialized = Falsereturn cls._instancedef __init__(self):if self._initialized:returnself._initialized = Trueself.data = "Initialized once"s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)  # True

关键点：

使用类属性_instance存储唯一实例
__init__方法通过标志位防止重复初始化

三、装饰器实现（最灵活方式）

原理：使用装饰器缓存类实例

from functools import wrapsdef singleton(cls):instances = {}@wraps(cls)def wrapper(*args, **kwargs):if cls not in instances:instances[cls] = cls(*args, **kwargs)return instances[cls]return wrapper@singleton
class Database:def __init__(self):print("Database created")db1 = Database()  # 输出: Database created
db2 = Database()  # 无输出
print(db1 is db2)  # True

优势：

可复用，适用于任何类
代码与业务逻辑分离

四、元类实现（最Pythonic方式）

原理：通过自定义元类控制类创建过程

class SingletonMeta(type):_instances = {}def __call__(cls, *args, **kwargs):if cls not in cls._instances:cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)return cls._instances[cls]class Logger(metaclass=SingletonMeta):def __init__(self):self.messages = []log1 = Logger()
log2 = Logger()
print(log1 is log2)  # True

特点：

自动处理继承关系
线程安全（Python3特性）

五、线程安全版本（多线程环境）

import threadingdef singleton(cls):instances = {}lock = threading.Lock()@wraps(cls)def wrapper(*args, **kwargs):with lock:if cls not in instances:instances[cls] = cls(*args, **kwargs)return instances[cls]return wrapper

六、惰性初始化（cached_property）

原理：利用Python 3.8+的cached_property特性

from functools import cached_propertyclass AppConfig:@cached_propertydef instance(self):print("Creating config")return {"theme": "dark"}config = AppConfig()
print(config.instance)  # 输出配置并创建实例
print(config.instance)  # 直接返回缓存实例

各种实现方式对比

方法	线程安全	灵活性	复杂度	适用场景
模块级单例	✅	❌	★☆☆☆☆	简单全局对象管理
__new__方法	❌	★★☆☆☆	★★☆☆☆	需要控制实例化过程
装饰器	❌	★★★★☆	★★☆☆☆	多类需要单例时
元类	✅	★★★★☆	★★★☆☆	框架开发/复杂需求
cached_property	✅	★★★☆☆	★★☆☆☆	惰性初始化场景