如何在 Python 中构建单例模式，以及为什么你或许不应该这样做

单例模式可以确保一个类在整个应用程序中只存在一个实例。你可能会在配置管理器、数据库连接或日志记录系统中看到这种模式的应用。虽然单例模式很有用，但它往往会带来更多的问题，而不是解决的问题。

在本教程中，我将向你展示如何在Python中实现单例模式，解释在什么情况下应该使用它，并讨论在大多数情况下的更好替代方案。

你可以在GitHub上找到相关代码：

前提条件

在开始之前，请确保你已经具备以下条件：

已安装Python 3.10或更高版本
了解Python类和装饰器
熟悉面向对象编程的概念

不需要使用外部库，因为我们只会使用Python的标准库。

什么是单例？

单例是一种设计模式，它限制了一个类只能有一个实例。无论你尝试创建多少个该类的对象，最终得到的都是同一个实例。

最常见的应用场景是配置对象。你希望应用程序的所有部分都能共享相同的配置信息，而不是创建多个副本。通过单例模式，你可以全局访问这个配置对象。

不过，全局状态存在一些问题。当任何代码都可以修改共享的状态时，调试就会变得困难。同时，也无法单独测试各个模块的功能。

尽管如此，还是有一些适合使用单例的情况。接下来我们将探讨如何正确地实现单例，以及在什么情况下需要使用它。

经典的单例模式

传统的实现方式是通过类变量来存储单个实例。当你试图创建一个新的实例时，类会检查是否已经存在这样的实例。

class DatabaseConnection:
    """
    经典的单例模式实现方式
    """
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            print("正在创建新的数据库连接")
            cls._instance = super().__new__(cls)
            cls._instance._initialized = False
        return cls._instance

    def __init__(self):
        # 仅初始化一次
        if not self._initialized:
            print("正在初始化数据库连接")
            self.connection_string = "postgresql://localhost/mydb"
            self.pool_size = 10
            self._initialized = True

    def query():
        return "执行：{sql}"

让我们来测试一下单例的行为吧：


db1 = DatabaseConnection()
print("db1的连接信息：{db1.connection_string}")

print("\n创建第二个实例：\n"
      "db2的连接信息：{db2.connection_string}\n")
print("\n它们是否是同一个对象？{db1 is db2}\n")

输出结果如下：


正在创建新的数据库连接
正在初始化数据库连接
db1的连接信息：postgresql://localhost/mydb

创建第二个实例：
它们是否是同一个对象？True

__new__方法负责控制对象的创建。通过重写该方法，我们可以拦截实例的创建过程，并返回已经存在的实例。而`__init__`方法则始终会被调用，因此我们需要添加一个`_initialized`标志来防止重复初始化。

这种实现方式虽然可行，但过于繁琐且容易出错。使用`_initialized`标志似乎不够理想。让我们看看更简洁的解决方案。

装饰器模式

一种更符合Python风格的解决方案是使用装饰器来处理单例逻辑。这样可以将单例功能封装在可重用的装饰器中，从而使代码更加简洁。

def singleton():
    # 将类转换为单例的装饰器
    instances = {}

    def get_instance(*args, **kwargs):
        if not in instances:
            instances[cls] = cls*(*args, **kwargs)
        return instances[cls]
    return get_instance
@singleton
class AppConfig:
    
    作为单例的应用程序配置
    
    def __init__():
        # 加载配置信息
        print"加载配置信息..."
        self.debug_mode = True
        self.api_key = "secret-key-12345"
        self.max_connections = 100
        self.timeout = 30
    
    def update_setting(，key，value):
        setattr(self, key，{value})”
        print“更新了{key} = {value}"

让我们来测试一下这种装饰器方式的单例实现吧：


# 第一次访问
config1 = AppConfig()
print"调试模式：{config1.debug_mode}"

# 第二次访问——无需重新初始化
print"再次访问配置：\n"
config2 = AppConfig()
config2.update_setting"timeout"，{config2.timeout}”

print"config1的超时时间：{config1.timeout}"
print"是否相同对象？{config1 is config2}"

输出结果如下：


加载配置信息...
调试模式：True
访问配置：
调试模式：True
访问配置：
超时时间：30
相同对象？True

装饰器模式更为简洁。使用@singleton装饰器后，类本身保持简单，便于测试。

需要注意的是，修改config2会影响config1，因为它们实际上是同一个对象。这种共享状态既方便又危险，因为任何可以访问配置的对象都可能修改它，从而破坏应用程序的其他部分。

如何在 Python 中构建单例模式，以及为什么你或许不应该这样做

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什么是单例？

经典的单例模式

装饰器模式

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