设计模式笔记 – 单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，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。

介绍

• 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：
  1. 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（比如管理学院首页页面缓存）。
  2. 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
• 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。
• 应用实例：
  1. 一个班级只有一个班主任。
  2. Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  3. 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
• 使用场景：
  1. 要求生产唯一序列号。
  2. WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  3. 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。
• 注意事项： getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。
  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

示例

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

Java 实现

饿汉式

是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

双重校验锁版

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：较复杂

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {  
        if (singleton == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                if (singleton == null) {  
                    singleton = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return singleton;  
    }  
}

静态内部类

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：一般

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

Python 实现

对于python来说，单例注意点的第三点存在争议。暂时忽略
以下两种Python的单例实现都是Lazy的。
通过自己添加obj = Singleton()即可创建单例实例（即饿汉式），然后被其他模块import得到。

metaclass法

是否多线程安全：是
实现难度：相对复杂
优点：用于创建Singleton的metaclass可以复用，多次调用时不会重复调用__init__方法

import threading

class SingletonMetaclass(type):
    __instance_lock = threading.Lock()
    __instance = None

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.__instance is None:
            with cls.__instance_lock:
                if cls.__instance is None:
                    cls.__instance = super().__call__(*args, **kwargs)
        return cls.__instance

class Singleton(metaclass=SingletonMetaclass):
    pass

class Singleton2(metaclass=SingletonMetaclass):
    pass

obj = Singleton()
obj2 = Singleton2()

__new__法

是否多线程安全：是
实现难度：易
缺点：多次调用时会重复调用__init__方法

import threading

class Singleton(object):
    __instance_lock = threading.Lock()
    __instance = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls.__instance is None:
            with cls.__instance_lock:
                if cls.__instance is None:
                    cls.__instance = object.__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls.__instance

obj = Singleton()

关于重复调用__init__方法的研究

• __new__是在一个对象实例化的时候所调用的第一个方法
• __new__决定是否要使用__init__方法，如果__new__没有返回实例对象，则__init__不会被调用

因此，如果使用__new__方法来创建一个单例，无可避免地会导致重复调用__init__。可以添加一个__inited属性，在__init__方法中判断是否为True。