Python學習筆記：單例模式
- 2020 年 1 月 19 日
- 筆記
單例模式：一個類無論實例化多少次，返回的都是同一個實例，例如：a1=A(), a2=A(), a3=A()，a1、a2和a3其實都是同一個對象，即print(a1 is a2)和print(a2 is a3)都會列印True。
實現方式：有兩種方式，一種是使用元類metaclass控制類實例化時的對象，另一種是使用類的__new__方法控制類返回的對象，推薦使用元類的方式，因為__new__通常是用來改變類結構的。
註：關於元類和單例模式，本文只是貼了兩個簡單的示例程式碼和自己的一些心得，想要更加深入的學習，這裡有一篇部落格講得很詳細https://www.cnblogs.com/tkqasn/p/6524879.html
元類實現單例模式（Python3.6）：
1 class Singleton(type): 2 def __init__(cls, *args, **kwargs): 3 cls.__instance = None 4 super().__init__(*args, **kwargs) 5 6 def __call__(cls, *args, **kwargs): 7 if cls.__instance is None: 8 cls.__instance = super().__call__(*args, **kwargs) 9 10 return cls.__instance 11 12 13 class MySingleton(metaclass=Singleton): 14 def __init__(self, val): 15 self.val = val 16 print(self.val) 17 18 19 hello = MySingleton('hello') 20 hi = MySingleton('hi') 21 print(hello is hi) 22 23 ----------輸出結果---------- 24 hello 25 True
- metaclass：Python3中metaclass是通過指定metaclass實現的，Python2中是通過指定類變數__metaclass__來實現的，但原理都是一樣的。
- type：Python中所有的類都是type類的實例，即一個類（還未實例化）的定義，其實就是type類（Python內建元類）的實例。如下的列印可以更加直觀的理解這一點： >>> int.__class__ <class 'type'> >>> num = 3 >>> num.__class__ <class 'int'> >>> num.__class__.__class__ <class 'type'> >>> >>> >>> class A: pass >>> A.__class__ <class 'type'> >>> a = A() >>> a.__class__ <class '__main__.A'> >>> a.__class__.__class__ <class 'type'> >>>
- __call__：當調用一個實例時，即執行實例加括弧的形式，就會調用該實例的__call__方法，如果沒有定義（需要自己定義），則會報錯。例如a=A()，a()就會調用a的__call__方法。
- 程式碼執行流程：第一步執行MySingleton時（即沒加括弧的部分），進行元類的實例化，即MySingleton=Singleton()，Singleton的實例化和普通類一樣會先執行__new__返回該類的實例，然後自動執行該實例的__init__方法進行初始化，此示例中的初始化方法給該實例賦予了一個值為None的__instance變數；第二步執行MySingleton('hello')時，進行類的實例化，即MySingleton('hello')=Singleton()('hello')，這裡就會調用到Singleton的__call__方法了，而super().__call__即調用type的__call__方法，這時候就和普通類實例化一樣會調用MySingleton的__new__和__init__方法了。
- 原理：由於每次實例化MySingleton時都會先調用metaclass中的__call__方法，所以只有第一次實例化時才會執行MySingleton的__new__和__init__，後面的實例化都只會返回第一次實例化好的實例，所以導致的結果就是無論進行多少次實例化，都給你返回同一個實例，當然就只有單例了（所以「輸出結果」中就沒有列印「hi」了） 。
- cls和self：Singleton的編寫，在eclipse中提示需要寫成self，在PyCharm中提示需要寫成cls，因為參數self是約定代表實例本身，但在這裡type的實例就是類，所以推薦寫成cls。
__new__實現單例模式（Python3.6）：
1 class MySingleton: 2 def __init__(self, val): 3 self.val = val 4 print(self.val) 5 print(self.__dict__) 6 7 def __new__(cls, *args, **kwargs): 8 if not hasattr(cls, '_instance'): 9 cls._instance = super().__new__(cls) 10 11 return cls._instance 12 13 14 hello = MySingleton('hello') 15 hi = MySingleton('hi') 16 print(hello is hi) 17 18 19 -----------輸出結果-------------- 20 hello 21 {'val': 'hello'} 22 hi 23 {'val': 'hi'} 24 True
- 原理：通過給類定義一個類變數，指向本類的一個實例，每次實例化調用__new__的時候都返回這個類變數，可以看到數據結果列印的是True，所以自然就是單例了。
- 缺點：每次實例化雖然都是同一個實例，但是每次實例化都會調用一次__init__方法，導致這個實例會隨著每次初始化而改變，所以不推薦這種方式來實現單例，因為__new__方法一般是用來改變類結構的。
- hasattr：類中的私有變數，即加了雙下劃線的變數，在__dict__中會加上一個「_classname」前綴，所以如果這裡使用__instance的話，hasattr(cls, '__instance')會一直返回False，因為這裡已經不是__instance了，而是_MySingleton__instance。
