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Python-FAQ-单例模式

ai 2025/7/13 21:31:08

1 需求

2 接口

3 示例

4 参考资料

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。在 Python 中，实现单例模式有多种方式，下面介绍几种常见的实现方法及其优缺点。

1. 使用模块（Pythonic 方式）

Python 的模块天然就是单例的，因为模块在第一次导入时会被创建并缓存，后续导入会直接使用缓存的实例。

实现示例：

# singleton.py
class Singleton:def __init__(self):self.value = Nonedef do_something(self):print(f"Singleton instance: {id(self)}, value: {self.value}")# 创建唯一实例
singleton_instance = Singleton()

使用方式：

from singleton import singleton_instancesingleton_instance.value = "Hello"
singleton_instance.do_something()  # 输出: Singleton instance: 1405... value: Hello# 其他模块导入的是同一个实例
from another_module import another_function
another_function()  # 输出相同的实例 ID

优点：

实现简单，无需额外代码
线程安全
天然延迟初始化（模块首次导入时创建实例）

缺点：

无法延迟初始化（除非通过函数包装）
不够灵活（例如无法传入参数）

2. 使用类方法（经典实现）

通过类方法控制实例的创建，确保只有一个实例被创建。

实现示例：

class Singleton:_instance = None@classmethoddef get_instance(cls):if cls._instance is None:cls._instance = cls()return cls._instancedef __init__(self):if self._instance is not None:raise RuntimeError("Use get_instance() to create the instance")# 初始化代码

使用方式：

s1 = Singleton.get_instance()
s2 = Singleton.get_instance()
print(s1 is s2)  # 输出: True

优点：

延迟初始化（首次调用 get_instance() 时创建实例）
明确的创建接口

缺点：

每次调用都需要通过类方法，不够简洁
多线程环境下可能创建多个实例（需加锁）

3. 使用元类（高级实现）

元类可以控制类的创建过程，确保类只有一个实例。

实现示例：

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 Singleton(metaclass=SingletonMeta):def __init__(self):# 初始化代码pass

使用方式：

s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)  # 输出: True

优点：

透明的实例化（直接通过类名创建实例）
支持继承
线程安全（元类的 __call__ 方法在多线程环境下是原子操作）

缺点：

实现复杂，理解门槛较高
不支持延迟初始化（类定义时即创建实例）

4. 使用装饰器

通过装饰器包装类，确保只有一个实例。

实现示例：

def singleton(cls):instances = {}def wrapper(*args, **kwargs):if cls not in instances:instances[cls] = cls(*args, **kwargs)return instances[cls]return wrapper@singleton
class MySingleton:def __init__(self):# 初始化代码pass

使用方式：

s1 = MySingleton()
s2 = MySingleton()
print(s1 is s2)  # 输出: True

优点：

简单易用
支持参数传递

缺点：

不支持继承
不支持延迟初始化（除非通过内部函数包装）

5. 懒汉式单例（延迟初始化）

结合类方法和锁机制，实现线程安全的延迟初始化。

实现示例：

import threadingclass LazySingleton:_instance = None_lock = threading.Lock()@classmethoddef get_instance(cls):if cls._instance is None:with cls._lock:# 双重检查锁定if cls._instance is None:cls._instance = cls()return cls._instance

优点：