python中单例模式介绍（含线程安全的单例模式）

理解单例模式之前，确实需要先掌握 __init__、__new__ 和 __call__ 这三个方法的作用和调用顺序。如有需要，读者可跳转下方链接学习： python中的__init__、__new__、__call__-CSDN博客 正文开始： 在Python中，单例模式（Singleton Pattern）确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

一、使用装饰器实现单例

原理：通过装饰器控制类的实例化过程，确保仅生成一个实例。 步骤：

1. 定义一个装饰器函数。 2. 在装饰器中管理实例的创建和返回。

代码示例：

def singleton_decorator(cls): print("装饰器执行（类定义时立即执行）") instances = {} def get_instance(*args, **kwargs): print("调用 get_instance()（实例化时执行）") if cls not in instances: # 单例模式的关键点就在这里 print("创建新实例") instances[cls] = cls(*args, **kwargs) return instances[cls] return get_instance @singleton_decorator class SingletonClass: def __init__(self): print("调用 __init__()") self.data = "Singleton Data" # 测试 print("开始实例化") a = SingletonClass() print("------------") b = SingletonClass() print(a is b) # 输出：True # 装饰器执行（类定义时立即执行） # 开始实例化 # 调用 get_instance()（实例化时执行） # 创建新实例 # 调用 __init__() # ------------ # 调用 get_instance()（实例化时执行） # True 二、元类实现单例重写__call__

原理：通过元类的 __call__ 方法控制实例创建流程。 步骤：

1. 定义一个元类，重写 __call__ 方法。

2. 在元类中检查是否已存在实例。

代码示例：

class SingletonMeta(type): _instances = {} def __call__(cls, *args, **kwargs): print("调用 __call__()") if cls not in cls._instances: cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs) return cls._instances[cls] class SingletonClass(metaclass=SingletonMeta): def __init__(self): print("调用 __init__()") self.data = "Singleton Data" # 测试 a = SingletonClass() b = SingletonClass() print(a is b) # 输出：True # 调用 __call__() # 调用 __init__() # 调用 __call__() # True 三、重写 __new__ 

原理：通过重写类的 __new__ 方法，直接控制实例创建。 步骤：

1. 在类中定义类变量存储实例。 2.在 __new__ 方法中返回已有实例或创建新实例。

代码示例：

class SingletonClass: _instance = None def __new__(cls, *args, **kwargs): print("__new__") if not cls._instance: cls._instance = super().__new__(cls) return cls._instance def __init__(self): print("__init__") self.data = "Singleton Data" # 测试 a = SingletonClass() b = SingletonClass() print(a is b) # 输出：True # __new__ # __init__ # __new__ # __init__ # True 四、线程安全的单例模式

问题：上述方法在并发环境下可能创建多个实例。 解决方案：加锁（如 threading.Lock）确保线程安全。

代码示例（元类 + 线程安全）​：

import threading class SingletonMeta(type): """ 单例模式的元类实现。 控制类的实例化过程，确保线程安全且唯一实例。 """ _instances = {} # 保存所有单例类的实例（键是类，值是实例） _lock = threading.Lock() # 线程锁 def __call__(cls, *args, **kwargs): # 第一次检查：避免已存在实例时不必要的加锁 if cls not in cls._instances: # 加锁确保线程安全 with cls._lock: # 第二次检查：防止其他线程已创建实例 if cls not in cls._instances: # 创建实例并保存 instance = super().__call__(*args, **kwargs) cls._instances[cls] = instance # 返回已存在的实例 return cls._instances[cls] class Singleton(metaclass=SingletonMeta): """ 单例类示例。 通过元类 SingletonMeta 控制实例唯一性。 """ def __init__(self): # 初始化代码（只会执行一次） self._data = "单例数据" print("Singleton 初始化完成") # 测试多线程环境下的单例行为 def create_singleton(): obj = Singleton() print(id(obj)) if __name__ == "__main__": threads = [] for _ in range(5): t = threading.Thread(target=create_singleton) threads.append(t) t.start() for t in threads: t.join() # Singleton 初始化完成 # 1807031580512 # 1807031580512 # 1807031580512 # 1807031580512 # 1807031580512