python：水果与设计模式-单例模式

单例模式（Singleton Pattern）：属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。（注意：1、单例类只能有一个实例。2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。）

意图： 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决： 一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用： 当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决： 判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码： 构造函数是私有的。

优点： 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例；避免对资源的多重占用。

缺点： 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

注意事项： getInstance() 方法中需要使用同步锁，防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

应用实例：水果工厂最近弄到了一个牛批的火龙果，它是一个极为牛批的火龙果，会动，你敢信？!!!∑(ﾟДﾟノ)ノ，如下图所示。为了更好的管理这个牛批的火龙果，专门为该火龙果设计了一个单例模式类，对它的重量、售价、产地、保质日期、等数据信息进行单独的管理。

那我们来一起使用单例模式，实现一个牛批的火龙果的管理类吧！(づ｡◕ᴗᴗ◕｡)づ

实现的思路：

• 主要包括两个部分：“管理者”和“火龙果”，管理者获取 唯一的火龙果对象，并对其进行信息的访问和修改等操作，而火龙果类返回其相关信息。

项目的UML用例图如下：

实现的代码如下：

class Pitaya:

    def __init__(self):
        # 成员属性为内置，不对外开放对象创建的接口
        pass

    """
    classmethod 修饰符对应的函数不需要实例化，不需要 self 参数，
    但第一个参数需要是表示自身类的 cls 参数，可以来调用类的属性，
    类的方法，实例化对象等。
    """

    @classmethod
    def get_instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Pitaya, "_instance"):
            # hasattr() 函数用于判断对象是否包含对应的属性。
            Pitaya._instance = Pitaya(*args, **kwargs)
            Pitaya.weight = 21
            Pitaya.place = "Canaveria"
            Pitaya.price = 20000
            Pitaya.date = "2021-12-12"
        return Pitaya._instance


def show(obj):
    print("重量:%d(kg)\n产地：%s\n售价：%d(元)\n保质日期：%s\n创建信息：%s\n" % (
        obj.weight, obj.place, obj.price, obj.date, obj._instance))


if __name__ == '__main__':
    # 创建火龙果对象
    obj = Pitaya().get_instance()
    show(obj)

使用上述方法的原理为：当创建第一个火龙果对象的时候，设定属性_instance，后面再创建新的对象的时候，已经存在 _instance属性就不会再创建新的火龙果对象。

但是，按照以上方式创建的单例，当存在多个管理者同时访问该对象的时候，可能会出现并发异常。

于是，为了 解决支持多线程访问的问题，对创建对象的部分加锁，优化后的代码如下：

import threading


class Pitaya(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        # 成员属性为内置，不对外开放对象创建的接口
        pass

    @classmethod
    def instance(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Pitaya, "_instance"):
            with Pitaya._instance_lock:
                if not hasattr(Pitaya, "_instance"):
                    # hasattr() 函数用于判断对象是否包含对应的属性。
                    Pitaya._instance = Pitaya(*args, **kwargs)
                    Pitaya.weight = 21
                    Pitaya.place = "Canaveria"
                    Pitaya.price = 20000
                    Pitaya.date = "2021-12-12"
        return Pitaya._instance


def show(obj):
    print("重量:%d(kg)\n产地：%s\n售价：%d(元)\n保质日期：%s\n创建信息：%s\n" % (
        obj.weight, obj.place, obj.price, obj.date, obj._instance))


def task(arg):
    obj = Pitaya.instance()
    show(obj)


if __name__ == '__main__':
    for i in range(5):
        t = threading.Thread(target=task, args=[i, ])
        t.start()

相关的测试用例：

可以通过上述的创建信息发现，我们访问的这些火龙果对象均为同一个对象，所以该单例模式的实现成功！

本文关于设计模式的讲解思想，参考链接：单例模式

关于@classmethod的用法，参考链接：python中的@classmethod的作用

更多的单例模式的实现方式，参考链接：Python中的单例模式的几种实现方式的及优化

如果有对装饰器的用法还不熟悉的小伙伴，参考这里的讲解：Python小技巧：装饰器(Decorator)

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