单例模式-Python示例

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是设计模式中一种创建型模式，广泛应用于软件开发中。一以下以故事化的方式，结合详细的技术讲解，介绍单例模式的背景、定义、适用场景，并提供python的示例代码。

故事1:皇帝的玉玺

在古代的龙国，皇帝是国家的唯一最高统治者，象征权力的玉玺也只有一块。无论多少大臣、多少事务需要盖章，所有人都必须使用同一块玉玺。皇帝下令：这块玉玺是独一无二的，不能有第二块！谁敢私自造玉玺，格杀勿论！
于是，为了确保玉玺的唯一性，皇帝派专人保管，任何人需要盖章时，都得向保管者申请使用这块玉玺。这样，全国上下都用同一块玉玺，保证了权力的统一性和一致性。
有一天，邻国的使者来访，带来了一个问题：如果多个大臣同时需要盖章，玉玺如何分配？皇帝想了想，决定让保管者记录玉玺的使用情况，确保每次只有一个人能拿到玉玺使用，其他人必须排队等待。这不仅保证了玉玺的唯一行，还避免了混乱。

这个故事中的玉玺，就是单例模式的完全体现：全局唯一、受控访问。

在古代的一个小村庄里，有一口古老的“智慧之井”，据说井水能赋予饮用者无穷的智慧。村民们都想喝到井水，但村长发现，如果每个人都随意打水，井水很快就会干涸。于是，村长宣布：全村只能有一个“水官”负责管理井水，每天只打一桶水，供大家享用。这个“水官”就是全村唯一的井水管理者，任何时候只有他能接触到井水，确保井水不会被滥用。

这个故事就像程序设计中的单例模式。在软件开发中，有些资源（如数据库连接、配置文件、线程池等），就像“智慧之井”，如果每次都创建新实例，会浪费资源或导致冲突。单例模式就像村里的“水官”，确保全局只有一个实例，统一管理资源。

单例模式是什么？

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，它保证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。单例模式的核心是控制对象的创建过程，确保系统中该类的对象始终只有一个。

解决什么样的问题

单例模式主要解决以下问题：

1、资源共享：避免多次创建对象导致的资源浪费（如数据库连接池、日志对象）

2、全局状态管理：需要一个全局唯一的对象来协调系统行为（如配置管理器、计数器）

3、控制并发访问：防止多个实例同时操作同一资源导致的数据不一致（如线程池）

4、减少系统开销：避免频繁创建和销毁对象，提升性能

适用场景

单例模式适用于以下场景

1、需要全局唯一实例的资源

配置文件管理器：整个应用共享同一份配置
日志记录器：统一管理日志输出
数据库连接池：避免重复创建连接

2、需要控制资源访问

线程池：统一管理线程资源
缓存管理器：全局共享缓存数据

3、需要全局协调的场景

计数器：记录系统中某些操作的次数
状态管理器：维护系统的全局状态

优缺点

优点：

节省资源：只创建一个实例，减少内存和系统开销
全局访问点：提供统一的访问入口，方便管理
严格控制实例：避免多实例带来的冲突或数据不一致

缺点

单点故障：如果单例对象出现问题，可能影响整个系统
难以测试：单例的全局状态可能导致单元测试复杂化
违反单一职责原则：单例既负责自身逻辑，又负责实例管理
扩展性差：难以继承或修改，因为单例通常是静态的

实现方式

单例模式有几种常见实现方式

饿汉式：类加载时酒创建实例（线程安全，但可能浪费资源）
懒汉式：需要时才创建实例（需考虑线程安全）
双检锁：懒汉式的线程安全优化
静态内部类：结合饿汉式和懒汉式的优点（Java常用）
模块级单例：Python的模块天然支持单例

Python示例代码

以下展示几种Python实现单例模式的方式，并附上详细注释，为了贴合故事，代码以“皇帝的玉玺”作为类名

方式1:经典懒汉式（线程不安全）

class ImperialSeal:# 私有类变量，存储唯一实例_instance = Nonedef __new__(cls):# 如果实例不存在，则创建if cls._instance is None:cls._instance = super().__new__(cls)return cls._instancedef __init__(self):# 出事话只执行一次，防止重复初始化if not hasattr(self, '_initialized'):self._initialized = Trueself.seal_name = "Dragon Seal"def use_seal(self):print(f"Using the {self.seal_name} to stamp a decree!")# 测试代码
if __name__ == "__main__":seal1 = ImperialSeal()seal2 = ImperialSeal()# Trueprint(f"Same instance: {seal1 is seal2}")# Using the Dragon Seal to stamp a decree!seal1.use_seal()

说明

new方法控制实例创建，确保只有一个实例
init适用_initialized防止重复初始化_
缺点：多线程环境下可能创建多个实例（线程不安全）

方式2:线程安全的懒汉式（使用锁）

import threading
from threading import Lockclass ImperialSeal:# 私有类变量，存储唯一实例_instance = None# 锁，用于线程安全_lock = Lock()def __new__(cls):with cls._lock:if cls._instance is None:cls._instance = super().__new__(cls)return cls._instancedef __init__(self):if not hasattr(self, '_initialized'):self._initialized = Trueself.seal_name = "Dragon Seal"def use_seal(self):print(f"Using the {self.seal_name} to stamp a decree!")def create_seal():seal = ImperialSeal()print(f"Created seal: {id(seal)}")# 测试代码
if __name__ == "__main__":threads = [threading.Thread(target=create_seal) for _ in range(5)]for t in threads:t.start()for t in threads:t.join()seal1 = ImperialSeal()seal2 = ImperialSeal()# Trueprint(f"Same instance: {seal1 is seal2}")# Using the Dragon Seal to stamp a decree!seal1.use_seal()

说明

使用threading.Lock确保多线程环境下之创建一次实例
with cis.lock保证线程安全，但加锁可能影响性能
适合多线程场景，如web服务器中的全局配置管理

方式3:Python模块单例

Python的模块本身是天然的单例，因为模块只加载一次。以下展示如何利用模块实现单例

# 单例模式 - 模块级单例实现
# 通过在模块级别定义全局唯一实例来实现单例模式class ImperialSeal:def __init__(self):self.seal_name = "Dragon Seal"  # 玉玺名称def use_seal(self):print(f"使用 {self.seal_name} 盖章于圣旨！")  # 使用玉玺盖章# 定义全局唯一实例
seal = ImperialSeal()# 测试代码
if __name__ == "__main__":# 直接引用模块中的 seal 实例，模拟多次导入seal1 = sealseal2 = sealprint(f"是否为同一实例: {seal1 is seal2}")  # 应输出 Trueseal1.use_seal()  # 输出: 使用 Dragon Seal 盖章于圣旨！

说明

Python模块在程序运行期间只加载一次，seal变量天然全局唯一
简单高效，无需显式控制实例创建
适合简单场景，但不适合需要复杂初始化逻辑的情况

故事续篇：玉玺的挑战

龙国的玉玺管理逐渐复杂，大臣们发现

并发问题：多个大臣同时申请玉玺，导致盖章混乱（线程安全问题）
测试麻烦：玉玺的全局性让模拟测试变的困难（单例的全局状态问题）
扩展需求：邻国提议联合使用玉玺，但玉玺无法轻易扩展（单例扩展性差）

皇帝召集智囊团，决定

使用“锁匠”（线程锁）确保玉玺一次只被一人使用（线程安全单例）
编写“玉玺副本”用于测试（依赖注入替换单例）
对于新需求，考虑“多玉玺模式”（非单例设计）

这个故事告诉我们：单例模式虽然简单有效，但需谨慎使用，避免滥用导致维护困难

适用场景举例

1、日志管理器：全局唯一的日志对象，确保日志写入一致

import logging
# logging 模块天然单例
logger = logging.getLogger("app")

2、数据库连接池

import pymysqlclass DBConnection:_instance = Nonedef __new__(cls):if cls._instance is None:cls._instance = super().__new__(cls)cls._instance.conn = pymysql.connect(host="localhost",user="root",password="123456",database="test")return cls._instance

3、配置管理：全局读取配置，避免重复加载

class Config:_instance = Nonedef __new__(cls):if cls._instance is None:cls._instance = super(Config, cls).__new__(cls)cls._instance.settings = {"api_key": "12345", "timeout": 30}return cls._instance