单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你希望在整个系统中，某个类只能出现一个实例时，单例对象就能派上用场。
比如，某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中，客户端通过一个 AppConfig 的类来读取配置文件的信息。如果在程序运行期间，有很多地方都需要使用配置文件的内容，也就是说，很多地方都需要创建 AppConfig 对象的实例，这就导致系统中存在多个 AppConfig 的实例对象，而这样会严重浪费内存资源，尤其是在配置文件内容很多的情况下。
事实上，类似 AppConfig 这样的类，我们希望在程序运行期间只存在一个实例对象。
在 Python 中，我们可以用多种方法来实现单例模式：

  • 使用模块

  • 使用装饰器

  • 使用类

  • 基于 __new__方法实现

  • 基于 metaclass 方式实现

下面来详细介绍：
使用模块
其实，Python 的模块就是天然的单例模式，因为模块在第一次导入时，会生成 .pyc文件，当第二次导入时，就会直接加载.pyc文件，而不会再次执行模块代码。
因此，我们只需把相关的函数和数据定义在一个模块中，就可以获得一个单例对象了。
如果我们真的想要一个单例类，可以考虑这样做：
  1. class Singleton(object):
  2. def foo(self):
  3. passsingleton = Singleton
将上面的代码保存在文件 mysingleton.py 中，要使用时，直接在其他文件中导入此文件中的对象，这个对象即是单例模式的对象
  1. from mysingleton import singleton
使用装饰器
  1. def Singleton(cls):
  2. _instance = {}
  3. def _singleton(*args, **kargs):
  4. if cls not in _instance:
  5. _instance[cls] = cls(*args, **kargs)return _instance[cls]
  6. return _singleton
  7. @Singletonclass A(object):
  8. a = 1
  9. def __init__(self, x=0):
  10. self.x = x
  11. a1 = A(2)
  12. a2 = A(3)
使用类
  1. class Singleton(object):
  2. def __init__(self):
  3. pass
  4. @classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  5. Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instance
一般情况，大家以为这样就完成了单例模式，但是当使用多线程时会存在问题：
  1. class Singleton(object):
  2. def __init__(self):
  3. pass
  4. @classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  5. Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)return Singleton._instance
  6. import threadingdef task(arg):obj = Singleton.instanceprint(obj)for i in range(10):
  7. t = threading.Thread(target=task,args=[i,])t.start
程序执行后，打印结果如下：
  1. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  2. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  3. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  4. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  5. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  6. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  7. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  8. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  9. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
  10. <__main__.Singleton object at 0x02C933D0>
看起来也没有问题，那是因为执行速度过快，如果在 __init__方法中有一些 IO 操作，就会发现问题了。
下面我们通过 time.sleep模拟，我们在上面__init__方法中加入以下代码：
  1. def __init__(self):
  2. import time
  3. time.sleep(1)
重新执行程序后，结果如下：
  1. <__main__.Singleton object at 0x034A3410>
  2. <__main__.Singleton object at 0x034BB990>
  3. <__main__.Singleton object at 0x034BB910>
  4. <__main__.Singleton object at 0x034ADED0>
  5. <__main__.Singleton object at 0x034E6BD0>
  6. <__main__.Singleton object at 0x034E6C10>
  7. <__main__.Singleton object at 0x034E6B90>
  8. <__main__.Singleton object at 0x034BBA30>
  9. <__main__.Singleton object at 0x034F6B90>
  10. <__main__.Singleton object at 0x034E6A90>
问题出现了！按照以上方式创建的单例，无法支持多线程。
解决办法：加锁！未加锁部分并发执行，加锁部分串行执行，速度降低，但是保证了数据安全。
  1. import time
  2. import threadingclass Singleton(object):
  3. _instance_lock = threading.Lock
  4. def __init__(self):
  5. time.sleep(1)
  6. @classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):
  7. with Singleton._instance_lock:
  8. if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  9. Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
  10. return Singleton._instance
  11. def task(arg):
  12. obj = Singleton.instance
  13. print(obj)for i in range(10):
  14. t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
  15. t.starttime.sleep(20)
  16. obj = Singleton.instanceprint(obj)
打印结果如下：
  1. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  2. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  3. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  4. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  5. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  6. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  7. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  8. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  9. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
  10. <__main__.Singleton object at 0x02D6B110>
这样就差不多了，但是还是有一点小问题，就是当程序执行时，执行了 time.sleep(20)后，下面实例化对象时，此时已经是单例模式了。
但我们还是加了锁，这样不太好，再进行一些优化，把 intance方法，改成下面这样就行：
  1. @classmethod
  2. def instance(cls, *args, **kwargs):
  3. if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  4. with Singleton._instance_lock:
  5. if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  6. Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
  7. return Singleton._instance
这样，一个可以支持多线程的单例模式就完成了。+
  1. import time
  2. import threadingclass Singleton(object):
  3. _instance_lock = threading.Lock
  4. def __init__(self):
  5. time.sleep(1)
  6. @classmethoddef instance(cls, *args, **kwargs):
  7. if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  8. with Singleton._instance_lock:
  9. if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  10. Singleton._instance = Singleton(*args, **kwargs)
  11. return Singleton._instance
  12. def task(arg):
  13. obj = Singleton.instance
  14. print(obj)for i in range(10):
  15. t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
  16. t.starttime.sleep(20)
  17. obj = Singleton.instanceprint(obj)
这种方式实现的单例模式，使用时会有限制，以后实例化必须通过 obj = Singleton.instance
如果用 obj = Singleton，这种方式得到的不是单例。
基于 __new__ 方法实现
通过上面例子，我们可以知道，当我们实现单例时，为了保证线程安全需要在内部加入锁。
我们知道，当我们实例化一个对象时，是先执行了类的 __new__方法（我们没写时，默认调用object.__new__），实例化对象；然后再执行类的__init__方法，对这个对象进行初始化，所有我们可以基于这个，实现单例模式。
  1. import threading
  2. class Singleton(object):
  3. _instance_lock = threading.Lock
  4. def __init__(self):
  5. pass
  6. def __new__(cls, *args, **kwargs):
  7. if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  8. with Singleton._instance_lock:
  9. if not hasattr(Singleton, "_instance"):
  10. Singleton._instance = object.__new__(cls)
  11. return Singleton._instance
  12. obj1 = Singletonobj2 = Singletonprint(obj1,obj2)def task(arg):
  13. obj = Singleton
  14. print(obj)for i in range(10):
  15. t = threading.Thread(target=task,args=[i,])
  16. t.start
打印结果如下：
  1. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0> <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  2. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  3. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  4. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  5. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  6. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  7. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  8. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  9. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  10. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
  11. <__main__.Singleton object at 0x038B33D0>
采用这种方式的单例模式，以后实例化对象时，和平时实例化对象的方法一样 obj = Singleton。
基于 metaclass 方式实现
相关知识:

  • 类由 type 创建，创建类时，type 的 __init__方法自动执行，类 执行 type 的__call__方法(类的__new__方法，类的__init__方法)

  • 对象由类创建，创建对象时，类的 __init__方法自动执行，对象执行类的__call__方法

例子：
  1. class Foo:
  2. def __init__(self):
  3. passdef __call__(self, *args, **kwargs):
  4. passobj = Foo# 执行type的 __call__ 方法，调用 Foo类（是type的对象）的 __new__方法，用于创建对象，然后调用 Foo类（是type的对象）的 __init__方法，用于对对象初始化。
  5. obj # 执行Foo的 __call__ 方法
元类的使用：
  1. class SingletonType(type):
  2. def __init__(self,*args,**kwargs):
  3. super(SingletonType,self).__init__(*args,**kwargs)
  4. def __call__(cls, *args, **kwargs): # 这里的cls，即Foo类
  5. print('cls',cls)obj = cls.__new__(cls,*args, **kwargs)
  6. cls.__init__(obj,*args, **kwargs) # Foo.__init__(obj)
  7. return obj
  8. class Foo(metaclass=SingletonType): # 指定创建Foo的type为SingletonType
  9. def __init__(self，name):
  10. self.name = name
  11. def __new__(cls, *args, **kwargs):
  12. return object.__new__(cls)
  13. obj = Foo('xx')
实现单例模式：
  1. import threading
  2. class SingletonType(type):
  3. _instance_lock = threading.Lock
  4. def __call__(cls, *args, **kwargs):
  5. if not hasattr(cls, "_instance"):
  6. with SingletonType._instance_lock:
  7. if not hasattr(cls, "_instance"):
  8. cls._instance = super(SingletonType,cls).__call__(*args, **kwargs)
  9. return cls._instance
  10. class Foo(metaclass=SingletonType):
  11. def __init__(self,name):
  12. self.name = name
  13. obj1 = Foo('name')
  14. obj2 = Foo('name')
  15. print(obj1,obj2)
作者：听风
https://www.cnblogs.com/huchong/p/8244279.html