Python中的单例模式（Singleton Pattern）

单例模式是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这在需要控制资源（如数据库连接、配置管理）共享时特别有用。

1. 单例模式的基本概念

• 核心目标：防止类被多次实例化，确保整个程序中只有一个实例存在
• 应用场景：日志记录器、数据库连接池、配置管理器等需要全局唯一对象的场合
• 关键特征：类的构造方法私有化，提供静态方法获取唯一实例

2. 实现单例模式的基础方法

class Singleton:
    _instance = None  # 类变量存储唯一实例
    
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        # 重写__new__方法控制实例创建
        if not cls._instance:
            # 如果实例不存在，创建新实例
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance  # 总是返回同一个实例

# 测试
s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)  # 输出：True（两个变量指向同一个对象）

3. 单例模式的详细实现步骤

步骤1：定义类变量存储实例

class Singleton:
    _instance = None  # 用于存储唯一的实例引用

步骤2：重写__new__方法

• __new__是真正创建实例的方法，在__init__之前调用
• 通过控制__new__来确保只创建一个实例

步骤3：添加线程安全机制（进阶）

import threading

class ThreadSafeSingleton:
    _instance = None
    _lock = threading.Lock()  # 添加线程锁
    
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        with cls._lock:  # 确保线程安全
            if not cls._instance:
                cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

4. 使用装饰器实现单例模式

def singleton(cls):
    instances = {}  # 用字典存储不同类的单例实例
    
    def get_instance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]
    
    return get_instance

@singleton
class DatabaseConnection:
    def __init__(self):
        print("创建数据库连接")

# 测试
db1 = DatabaseConnection()  # 输出"创建数据库连接"
db2 = DatabaseConnection()  # 无输出，使用已有实例
print(db1 is db2)  # True

5. 使用元类实现单例模式

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.log_level = "INFO"

# 测试
logger1 = Logger()
logger2 = Logger()
logger1.log_level = "DEBUG"
print(logger2.log_level)  # 输出"DEBUG"，证明是同一个实例

6. 单例模式的注意事项

线程安全问题：

• 基础实现在多线程环境下可能创建多个实例
• 需要使用锁机制确保线程安全

继承问题：

• 子类继承单例类时需要注意实例管理
• 元类实现可以更好地处理继承情况

测试困难：

• 单例模式可能使单元测试变得复杂
• 需要考虑如何重置单例状态

7. 实际应用示例：配置管理器

class ConfigManager(metaclass=SingletonMeta):
    def __init__(self):
        self.config = {}
    
    def set_config(self, key, value):
        self.config[key] = value
    
    def get_config(self, key):
        return self.config.get(key)

# 在整个程序中使用同一个配置管理器
config1 = ConfigManager()
config1.set_config("database_url", "localhost:5432")

config2 = ConfigManager()
print(config2.get_config("database_url"))  # 输出"localhost:5432"

通过这种渐进式的实现方式，单例模式确保了资源的有效管理和全局一致性，是Python中常用的设计模式之一。