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。

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。

在 Python 中，我們可以用多種方法來實現單例模式：

• 使用模組
• 使用 __new__
• 使用裝飾器（decorator）
• 使用元類（metaclass）

1 使用模組

其實，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：

# mysingleton.py

class My_Singleton(object):
    def foo(self):
        pass

my_singleton = My_Singleton()
 

將上面的程式碼儲存在檔案 mysingleton.py 中，然後這樣使用：

from mysingleton import my_singleton

my_singleton.foo()

2 使用__new__

為了使類只能出現一個例項，我們可以使用 __new__ 來控制例項的建立過程，程式碼如下：

class Singleton(object):
    _instance = None

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


a = Singleton()
b = Singleton()

print(a is b)  # True
print(a == b)  # True
print(id(a))  # 41779272
print(id(b))  # 41779272
 

在上面的程式碼中，我們將類的例項和一個類變數 _instance 關聯起來，如果 cls._instance 為 None 則建立例項，否則直接返回 cls._instance。

3 使用裝飾器

我們知道，裝飾器（decorator）可以動態地修改一個類或函式的功能。這裡，我們也可以使用裝飾器來裝飾某個類，使其只能生成一個例項，程式碼如下：

from functools import wraps


def singleton(cls):
    instances = {}

    @wraps(cls)
    def getinstance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)

        return instances[cls]

    return getinstance


@singleton
class Singleton(object):
    pass

a = Singleton()
b = Singleton()

print(a is b)  # True
print(a == b)  # True
print(id(a))  # 34193760
print(id(b))  # 34193760

在上面，我們定義了一個裝飾器 singleton，它返回了一個內部函式 getinstance，該函式會判斷某個類是否在字典 instances 中，如果不存在，則會將 cls 作為 key，cls(*args, **kwargs) 作為 value 存到 instances 中，否則，直接返回 instances[cls]。

4 使用 metaclass

元類（metaclass）可以控制類的建立過程，它主要做三件事：

• 攔截類的建立
• 修改類的定義
• 返回修改後的類

使用元類實現單例模式的程式碼如下：

class Singleton(type):
    _instances = {}

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)

        return cls._instances[cls]


class MySingleton(metaclass=Singleton):
    pass


a = MySingleton()
b = MySingleton()

print(a is b)  # True
print(a == b)  # True
print(id(a))  # 38502472
print(id(b))  # 38502472