單例模式雖然簡單，但還是有些門道的，而少有人知道這些門道。
邊界情況
Python中實(shí)現(xiàn)單例模式的方法很多，我以前最常使用的應(yīng)該是下面這種寫法。
1 2 3 4 5 6 7 | class Singleton(object): _instance = None def __new__(cls, *args, **kw): if cls._instance is None: cls._instance = object.__new__(cls, *args, **kw) return cls._instance |
這種寫法有兩個(gè)問題。
1.單例模式對應(yīng)類實(shí)例化時(shí)無法傳入?yún)?shù)，將上面的代碼擴(kuò)展成下面形式。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | class Singleton(object): _instance = None def __new__(cls, *args, **kw): if cls._instance is None: cls._instance = object.__new__(cls, *args, **kw) return cls._instance def __init(self, x, y): self.x = x self.y = ys = Singleton(1,2) |
此時(shí)會(huì)拋出TypeError: object.__new__() takes exactly one argument (the type to instantiate)錯(cuò)誤
2.多個(gè)線程實(shí)例化Singleton類時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例的情況，因?yàn)楹苡锌赡芏鄠€(gè)線程同時(shí)判斷cls._instance is None，從而進(jìn)入初
始化實(shí)例的代碼中。
基于同步鎖實(shí)現(xiàn)單例
先考慮上述實(shí)現(xiàn)遇到的第二個(gè)問題。
既然多線程情況下會(huì)出現(xiàn)邊界情況從而參數(shù)多個(gè)實(shí)例，那么使用同步鎖解決多線程的沖突則可。
import threading # 同步鎖 def synchronous_lock(func): def wrapper(*args, **kwargs): with threading.Lock(): return func(*args, **kwargs) return wrapper class Singleton(object): instance = None @synchronous_lock def __new__(cls, *args, **kwargs): if cls.instance is None: cls.instance = object.__new__(cls, *args, **kwargs) return cls.instance
上述代碼中通過threading.Lock()將單例化方法同步化，這樣在面對多個(gè)線程時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例的情況，可以簡單試驗(yàn)一下。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | def worker(): s = Singleton() print(id(s))def test(): task = [] for i in range(10): t = threading.Thread(target=worker) task.append(t) for i in task: i.start() for i in task: i.join()test() |
運(yùn)行后，打印的單例的id都是相同的。
更優(yōu)的方法
加了同步鎖之后，除了無法傳入?yún)?shù)外，已經(jīng)沒有什么大問題了，但是否有更優(yōu)的解決方法呢？單例模式是否有可以接受參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式？
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 | def singleton(cls): cls.__new_original__ = cls.__new__ @functools.wraps(cls.__new__) def singleton_new(cls, *args, **kwargs): it = cls.__dict__.get('__it__') if it is not None: return it cls.__it__ = it = cls.__new_original__(cls, *args, **kwargs) it.__init_original__(*args, **kwargs) return it cls.__new__ = singleton_new cls.__init_original__ = cls.__init__ cls.__init__ = object.__init__ return cls @singletonclass Foo(object): def __new__(cls, *args, **kwargs): cls.x = 10 return object.__new__(cls) def __init__(self, x, y): assert self.x == 10 self.x = x self.y = y |
上述代碼中定義了singleton類裝飾器，裝飾器在預(yù)編譯時(shí)就會(huì)執(zhí)行，利用這個(gè)特性，singleton類裝飾器中替換了類原本的__new__與
__init__方法，使用singleton_new方法進(jìn)行類的實(shí)例化，在singleton_new方法中，先判斷類的屬性中是否存在__it__屬性，以此來判斷
是否要?jiǎng)?chuàng)建新的實(shí)例，如果要?jiǎng)?chuàng)建，則調(diào)用類原本的__new__方法完成實(shí)例化并調(diào)用原本的__init__方法將參數(shù)傳遞給當(dāng)前類，從而完成單
例模式的目的。
這種方法讓單例類可以接受對應(yīng)的參數(shù)但面對多線程同時(shí)實(shí)例化還是可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)實(shí)例，此時(shí)加上線程同步鎖則可。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | def singleton(cls): cls.__new_original__ = cls.__new__ @functools.wraps(cls.__new__) def singleton_new(cls, *args, **kwargs): # 同步鎖 with threading.Lock(): it = cls.__dict__.get('__it__') if it is not None: return it cls.__it__ = it = cls.__new_original__(cls, *args, **kwargs) it.__init_original__(*args, **kwargs) return it cls.__new__ = singleton_new cls.__init_original__ = cls.__init__ cls.__init__ = object.__init__ return cls |
是否加同步鎖的額外考慮
如果一個(gè)項(xiàng)目不需要使用線程相關(guān)機(jī)制，只是在單例化這里使用了線程鎖，這其實(shí)不是必要的，它會(huì)拖慢項(xiàng)目的運(yùn)行速度。
閱讀CPython線程模塊相關(guān)的源碼，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，Python一開始時(shí)并沒有初始化線程相關(guān)的環(huán)境，只有當(dāng)你使用theading庫相關(guān)功能時(shí)，
才會(huì)調(diào)用PyEval_InitThreads方法初始化多線程相關(guān)的環(huán)境，代碼片段如下（我省略了很多不相關(guān)代碼）。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | static PyObject *thread_PyThread_start_new_thread(PyObject *self, PyObject *fargs){ PyObject *func, *args, *keyw = NULL; struct bootstate *boot; unsigned long ident; // 初始化多線程環(huán)境，解釋器默認(rèn)不初始化，只有用戶使用時(shí)，才初始化。 PyEval_InitThreads(); /* Start the interpreter's thread-awareness */ // 創(chuàng)建線程 ident = PyThread_start_new_thread(t_bootstrap, (void*) boot); // 返回線程id return PyLong_FromUnsignedLong(ident);} |
為什么會(huì)這樣？
因?yàn)槎嗑€程環(huán)境會(huì)啟動(dòng)GIL鎖相關(guān)的邏輯，這會(huì)影響Python程序運(yùn)行速度。很多簡單的Python程序并不需要使用多線程，此時(shí)不需要初始化線程相關(guān)的環(huán)境，Python程序在沒有GIL鎖的情況下會(huì)運(yùn)行的更快。
如果你的項(xiàng)目中不會(huì)涉及多線程操作，那么就沒有使用有同步鎖來實(shí)現(xiàn)單例模式。
結(jié)尾
1.互聯(lián)網(wǎng)中有很多Python實(shí)現(xiàn)單例模式的文章，你只需要從多線程下是否可以保證單實(shí)例以及單例化時(shí)是否可以傳入初始參數(shù)兩點(diǎn)來判斷
相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法則可。
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