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python中单例模式介绍（含线程安全的单例模式）

news 来源：原创 2025/6/13 22:16:03

理解单例模式之前，确实需要先掌握 __init__、__new__ 和 __call__ 这三个方法的作用和调用顺序。如有需要，读者可跳转下方链接学习：
python中的__init__、__new__、__call__-CSDN博客

正文开始：
在Python中，单例模式（Singleton Pattern）确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

一、使用装饰器实现单例

原理：通过装饰器控制类的实例化过程，确保仅生成一个实例。
步骤：

1. 定义一个装饰器函数。
2. 在装饰器中管理实例的创建和返回。

代码示例：

def singleton_decorator(cls):
    print("装饰器执行（类定义时立即执行）")
    instances = {}

    def get_instance(*args, **kwargs):
        print("调用 get_instance()（实例化时执行）")
        if cls not in instances:        # 单例模式的关键点就在这里
            print("创建新实例")
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]

    return get_instance


@singleton_decorator
class SingletonClass:
    def __init__(self):
        print("调用 __init__()")
        self.data = "Singleton Data"


# 测试
print("开始实例化")
a = SingletonClass()
print("------------")
b = SingletonClass()
print(a is b)  # 输出：True


# 装饰器执行（类定义时立即执行）
# 开始实例化
# 调用 get_instance()（实例化时执行）
# 创建新实例
# 调用 __init__()
# ------------
# 调用 get_instance()（实例化时执行）
# True

二、元类实现单例重写call

原理：通过元类的 __call__ 方法控制实例创建流程。
步骤：

1. 定义一个元类，重写 __call__ 方法。

2. 在元类中检查是否已存在实例。

代码示例：

class SingletonMeta(type):
    _instances = {}

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        print("调用 __call__()")
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]


class SingletonClass(metaclass=SingletonMeta):
    def __init__(self):
        print("调用 __init__()")
        self.data = "Singleton Data"


# 测试
a = SingletonClass()
b = SingletonClass()
print(a is b)  # 输出：True

# 调用 __call__()
# 调用 __init__()
# 调用 __call__()
# True

三、重写 `new`

原理：通过重写类的 __new__ 方法，直接控制实例创建。
步骤：

1. 在类中定义类变量存储实例。
2.在 __new__ 方法中返回已有实例或创建新实例。

代码示例：

class SingletonClass:
    _instance = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print("__new__")
        if not cls._instance:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

    def __init__(self):
        print("__init__")
        self.data = "Singleton Data"


# 测试
a = SingletonClass()
b = SingletonClass()
print(a is b)  # 输出：True

# __new__
# __init__
# __new__
# __init__
# True

四、线程安全的单例模式

问题：上述方法在并发环境下可能创建多个实例。
解决方案：加锁（如 threading.Lock）确保线程安全。

代码示例（元类 + 线程安全）：

import threading


class SingletonMeta(type):
    """
    单例模式的元类实现。
    控制类的实例化过程，确保线程安全且唯一实例。
    """
    _instances = {}  # 保存所有单例类的实例（键是类，值是实例）
    _lock = threading.Lock()  # 线程锁

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        # 第一次检查：避免已存在实例时不必要的加锁
        if cls not in cls._instances:
            # 加锁确保线程安全
            with cls._lock:
                # 第二次检查：防止其他线程已创建实例
                if cls not in cls._instances:
                    # 创建实例并保存
                    instance = super().__call__(*args, **kwargs)
                    cls._instances[cls] = instance
        # 返回已存在的实例
        return cls._instances[cls]


class Singleton(metaclass=SingletonMeta):
    """
    单例类示例。
    通过元类 SingletonMeta 控制实例唯一性。
    """
    def __init__(self):
        # 初始化代码（只会执行一次）
        self._data = "单例数据"
        print("Singleton 初始化完成")


# 测试多线程环境下的单例行为
def create_singleton():
    obj = Singleton()
    print(id(obj))

if __name__ == "__main__":
    threads = []
    for _ in range(5):
        t = threading.Thread(target=create_singleton)
        threads.append(t)
        t.start()

    for t in threads:
        t.join()

# Singleton 初始化完成
# 1807031580512
# 1807031580512
# 1807031580512
# 1807031580512
# 1807031580512