Python学习笔记：单例模式

单例设计模式：单例模式提供这样一个机制，确保类有且只有一个特定类型的对象，并提供全局访问点。一般单例模式使用时，需要注意以下几点：

• 确保该类有且只有一个对象被创建。
• 需要为该对象提供一个全局访问点，以便程序可以全局访问该对象（必须保证这个访问点返回的都是同一个对象）。
• 需要注意控制共享资源的访问。

单例模式优点：如果在程序中某个对象只需要创建一次，就可以考虑使用单例模式，比如日志操作，数据库操作等，这种对象创建多个就会非常浪费资源，也不能很好的实现这些操作的同步，所以单例模式是一个非常不错的选择。

单例模式缺点：它的缺点也很明显，因为单例是全局变量，所以使用时它可能在某个地方已经被修改了，但是开发人员可能并不知道。而且所有使用到这个单例的类，会因为这个单例成为紧密耦合的关系，从而某个类的改变可能会影响到其他的类。

实现方式：一般有两种方式，一种是使用元类metaclass控制类实例化时的对象，另一种是使用类的__new__方法控制类返回的对象。（关于元类，这里有篇博客讲得很详细：https://www.cnblogs.com/tkqasn/p/6524879.html）

元类实现单例模式（Python3.6）：

 class Singleton(type):
     def __init__(cls, *args, **kwargs):
         cls.__instance = None
         super().__init__(*args, **kwargs)

     def __call__(cls, *args, **kwargs):
         if cls.__instance is None:
             cls.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)

         return cls.__instance

 class MySingleton(metaclass=Singleton):
     def __init__(self, val):
         self.val = val
         print(self.val)

 hello = MySingleton('hello')
 hi = MySingleton('hi')
 print(hello is hi)

 ----------输出结果----------
 hello
 True

• metaclass：Python3中metaclass是通过指定metaclass实现的，Python2中是通过指定类变量__metaclass__来实现的，但原理都是一样的。
• type：Python中所有的类都是type类的实例，即一个类（还未实例化）的定义，其实就是type类（Python内建元类）的实例。如下的打印可以更加直观的理解这一点：

  >>> 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__：当调用一个实例时，即执行实例加括号的形式，就会调用该实例的__call__方法，如果没有定义（需要自己定义），则会报错。例如a=A()，a()就会调用a的__call__方法。
• 代码执行流程：第一步执行MySingleton时（即没加括号的部分），进行元类的实例化，即MySingleton=Singleton()，Singleton的实例化和普通类一样会先执行__new__返回该类的实例，然后自动执行该实例的__init__方法进行初始化，此示例中的初始化方法给该实例赋予了一个值为None的__instance变量；第二步执行MySingleton('hello')时，进行类的实例化，即MySingleton('hello')=Singleton()('hello')，这里就会调用到Singleton的__call__方法了，而super().__call__即调用type的__call__方法，这时候就和普通类实例化一样会调用MySingleton的__new__和__init__方法了。
• 原理：由于每次实例化MySingleton时都会先调用metaclass中的__call__方法，所以只有第一次实例化时才会执行MySingleton的__new__和__init__，后面的实例化都只会返回第一次实例化好的实例，所以导致的结果就是无论进行多少次实例化，都给你返回同一个实例，当然就只有单例了（所以“输出结果”中就没有打印“hi”了） 。
• cls和self：Singleton的编写，在eclipse中提示需要写成self，在PyCharm中提示需要写成cls，因为参数self是约定代表实例本身，但在这里type的实例就是类，所以推荐写成cls。

__new__实现单例模式（Python3.6）：

 class MySingleton:
     def __init__(self, val):
         self.val = val 
 4         print(self.val) 
 5         print(self.__dict__)

     def __new__(cls, *args, **kwargs):
         if not hasattr(cls, '_instance'):
             cls._instance = super().__new__(cls)

         return cls._instance

 hello = MySingleton('hello')
 hi = MySingleton('hi')
 print(hello is hi)

 -----------输出结果--------------
 hello
 {'val': 'hello'}
 hi
 {'val': 'hi'}
 True

• 原理：通过给类定义一个类变量，指向本类的一个实例，每次实例化调用__new__的时候都返回这个类变量，可以看到数据结果打印的是True，所以自然就是单例了。
• 注意：每次实例化虽然都是同一个实例，但是每次实例化都会调用一次__init__方法，导致这个实例会随着每次初始化而改变，所以这种方式来实现单例就看情况和自己的需求来使用了。
• hasattr：类中的私有变量，即加了双下划线的变量，在__dict__中会加上一个“_classname”前缀，所以如果这里使用__instance的话，hasattr(cls, '__instance')会一直返回False，因为这里已经不是__instance了，而是_MySingleton__instance。