一文詳解“單例模式”及其python語言的實現
一、什麼是“單例模式”——一個例項
單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的軟體設計模式，該模式的主要目的是確保某一個類只有一個例項存在。當你希望在整個系統中，某個類只能出現一個例項時，單例物件就能派上用場。
單例模式涉及到一個單一的類，該類負責建立自己的物件，同時確保只有單個物件被建立。這個類提供了一種訪問其唯一的物件的方式，可以直接訪問，不需要例項化該類的物件。
注意：
- 1、單例類只能有一個例項。
- 2、單例類必須自己建立自己的唯一例項。
- 3、單例類必須給所有其他物件提供這一例項。
關鍵實現思想：
（1）保證建構函式是私有的（比如java、C++、C#)語言，像python這種沒辦法構造私有函式的怎麼辦呢？後面會講到它靈活的實現。
（2）第一次建立類的物件的時候判斷系統是否已經有這個單例，如果有則返回，如果沒有則建立。那麼後續再次建立該類的例項的時候，因為已經建立過一次了，就不能再建立新的例項了，否則就不是單例啦，直接返回前面返回的例項即可。
二、為什麼要實現單例模式呢？
常見的單例模式：
（1）比如，某個伺服器程式的配置資訊存放在一個檔案中，客戶端通過一個 AppConfig 的類來讀取配置檔案的資訊。如果在程式執行期間，有很多地方都需要使用配置檔案的內容，也就是說，很多地方都需要建立 AppConfig 物件的例項，這就導致系統中存在多個 AppConfig 的例項物件，而這樣會嚴重浪費記憶體資源，尤其是在配置檔案內容很多的情況下。事實上，類似 AppConfig 這樣的類，我們希望在程式執行期間只存在一個例項物件。
（2）當有同步需要的時候，可以通過一個例項來進行同步控制，比如對某個共享檔案（如日誌檔案）的控制，對計數器的同步控制等，這種情況下由於只有一個例項，所以不用擔心同步問題。
（3）Python的logger就是一個單例模式，用以日誌記錄；Windows的資源管理器是一個單例模式；執行緒池，資料庫連線池等資源池一般也用單例模式；網站計數器等等，這些都是單例模式。
需要使用單例模式的情景：——這個很重要哦
當每個例項都會佔用資源，而且例項初始化會影響效能，這個時候就可以考慮使用單例模式，它給我們帶來的好處是隻有一個例項佔用資源，並且只需初始化一次；歸納為以下幾條：
1、要求生產唯一序列號。
2、WEB 中的計數器，不用每次重新整理都在資料庫里加一次，用單例先快取起來。
3、建立的一個物件需要消耗的資源過多，比如 I/O 與資料庫的連線等。
優缺點：
優點： 1、在記憶體裡只有一個例項，減少了記憶體的開銷，尤其是頻繁的建立和銷燬例項（比如管理學院首頁頁面快取）。 2、避免對資源的多重佔用（比如寫檔案操作）。
缺點：沒有介面，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來例項化。
三、單例模式的python實現
不同的程式語言對於單例模式的實現有所不同，因為每一種語言的語法有所差異，但是所遵循的核心原理以及所要達到的最終目的是一樣的，不一樣的是，往目的地所走的路不一樣而已。python實現單例模式的方法有很多，本文著重講解三種。
1、首先看一下普通的類——即非單例類
class Student:
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
s1=Student('張三',23)
s2=Student('張三',23)
print((s1==s2))
print(s1 is s2)
print(id(s1),id(s2),sep=' ')
執行結果如下：
False
False
2215920481224 2215920481112
從上面可以看出，在非單例模式下，兩個例項是完全不一樣的。
2、使用“裝飾器”來實現單例模式
def Singleton(cls): #這是一個函式，目的是要實現一個“裝飾器”，而且是對型別的裝飾器
'''
cls:表示一個類名，即所要設計的單例類名稱，
因為python一切皆物件，故而類名同樣可以作為引數傳遞
'''
instance = {}
def singleton(*args, **kargs):
if cls not in instance:
instance[cls] = cls(*args, **kargs) #如果沒有cls這個類，則建立，並且將這個cls所建立的例項，儲存在一個字典中
return instance[cls]
return singleton
@Singleton
class Student(object):
def __init__(self, name,age):
self.name=name
self.age=age
s1 = Student('張三',23)
s2 = Student('李四',24)
print((s1==s2))
print(s1 is s2)
print(id(s1),id(s2),sep=' ')
執行結果為：
True
True
2150787003840 2150787003840
從上面可以看出，雖然建立的兩個物件s1 s2看起來是不一樣的，但是實際上都是一樣的，這就是“單例模式”
3、通過__new__函式去實現
class Student(object):
instance = None
def __new__(cls, name,age):
if not cls.instance:
cls.instance = super(Student, cls).__new__(cls)
return cls.instance
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
s1 = Student('張三',23)
s2 = Student('李四',24)
print((s1==s2))
print(s1 is s2)
print(id(s1),id(s2),sep=' ')
執行結果如下：
True
True
1718008231696 1718008231696
從上面可見，依然是實現了單例模式。
總結：上面這兩種方法，都是python實現單例模式最常用的方法，通過比較發現，這兩種方法都有一個共同點，那就是都是通過一個內部變數instance作為橋樑，如果它不是空，就建立一個類的實力繫結到它上面，後續它不為空了，會一直都是這個繫結的物件，這就實現了單例模式。
4、使用一個單獨的模組作為單例模式
因為，Python 的模組就是天然的單例模式，因為模組在第一次匯入時，會生成 .pyc 檔案，當第二次匯入時，就會直接載入 .pyc 檔案，而不會再次執行模組程式碼。因此，我們只需把相關的函式和資料定義在一個模組中，就可以獲得一個單例物件了。如果我們真的想要一個單例類，可以考慮這樣做：
在一個模組中定義一個普通的類，如在Singleton_Pattern.py模組中定義如下程式碼
class Student:
def __init__(self,name,age):
self.name=name
self.age=age
student=Student('張三',23)
這裡的student就是一個單例。當我們在另外一個模組中匯入student這個物件時，因為它只被匯入了一次，所以總是同一個例項。
當然python的單例模式非常的靈活多變，這也是因為Python語言的靈活性所決定的，我們還可以使用元類建立單例模式，甚至還有很多其他的方式都可以創家門單例模式，只要記住單例模式的本質即可。推薦使用前面的兩種方法，即裝飾器方法和__new__
方法。因為原理清晰簡單，很容易理解。