在 Python 面向?qū)ο缶幊讨?，單例模式是一種常用的設(shè)計模式，其核心目標(biāo)是確保一個類在整個程序運(yùn)行過程中僅創(chuàng)建一個實(shí)例，并提供全局唯一的訪問入口。這種模式能有效避免重復(fù)創(chuàng)建對象導(dǎo)致的資源浪費(fèi)(如數(shù)據(jù)庫連接、配置文件加載)，同時保證全局?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。小編將詳解 Python 單例模式的 5 種實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合典型場景說明其應(yīng)用價值。

　　一、單例模式的核心特性

　　單例模式需滿足兩個關(guān)鍵條件：

　　唯一實(shí)例：類無論被實(shí)例化多少次，始終返回同一個對象;

　　全局訪問：程序任何地方都能通過統(tǒng)一入口獲取該實(shí)例，無需重復(fù)創(chuàng)建。

　　例如，數(shù)據(jù)庫連接池若多次創(chuàng)建實(shí)例，會導(dǎo)致連接數(shù)超限;配置文件若重復(fù)加載，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致 —— 單例模式正是解決這類問題的最佳方案。

　　二、Python 單例模式的 5 種實(shí)現(xiàn)方法

　　(一)方法 1：重寫__new__方法(最常用)

　　__new__是類的靜態(tài)方法，負(fù)責(zé)創(chuàng)建對象實(shí)例。通過重寫__new__，在創(chuàng)建實(shí)例前判斷是否已存在實(shí)例，若存在則直接返回，否則創(chuàng)建新實(shí)例并保存。

　　TypeScript取消自動換行復(fù)制

　　class Singleton:

　　# 用類變量存儲唯一實(shí)例

　　_instance = None

　　def __new__(cls, *args, **kwargs):

　　# 若實(shí)例不存在，調(diào)用父類__new__創(chuàng)建

　　if cls._instance is None:

　　cls._instance = super().__new__(cls)

　　# 無論是否新建，均返回唯一實(shí)例

　　return cls._instance

　　def __init__(self, name):

　　# 注意：多次實(shí)例化會重復(fù)執(zhí)行__init__，需避免覆蓋屬性

　　if not hasattr(self, "name"): # 判斷是否已初始化

　　self.name = name

　　優(yōu)點(diǎn)：邏輯清晰，符合 Python 對象創(chuàng)建機(jī)制;缺點(diǎn)：需手動處理__init__重復(fù)執(zhí)行問題。

　　(二)方法 2：裝飾器實(shí)現(xiàn)(靈活通用)

　　通過裝飾器包裝類，在裝飾器內(nèi)部用字典存儲已創(chuàng)建的實(shí)例，每次實(shí)例化前先檢查字典，確保唯一。這種方法不修改原類代碼，可復(fù)用性強(qiáng)。

　　TypeScript取消自動換行復(fù)制

　　優(yōu)點(diǎn)：可批量修飾多個類，不侵入原類邏輯;缺點(diǎn)：裝飾器會隱藏原類的一些屬性(如__name__)，需額外處理。

　　(三)方法 3：元類實(shí)現(xiàn)(底層控制)

　　元類是 “類的類”，負(fù)責(zé)控制類的創(chuàng)建過程。通過自定義元類，在類創(chuàng)建時注入單例邏輯，確保實(shí)例唯一。這種方法最底層，適合復(fù)雜場景。

　　TypeScript取消自動換行復(fù)制

　　class SingletonMeta(type):

　　# 元類的__init__控制類的初始化

　　_instances = {}

　　def __call__(cls, *args, **kwargs):

　　# __call__方法在類實(shí)例化時調(diào)用

　　if cls not in cls._instances:

　　cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)

　　return cls._instances[cls]

　　# 讓目標(biāo)類繼承自定義元類

　　class Config(metaclass=SingletonMeta):

　　def __init__(self, config_path):

　　self.load_config(config_path) # 加載配置文件

　　def load_config(self, path):

　　self.config = {"host": "localhost", "port": 8080} # 模擬加載

　　# 測試

　　cfg1 = Config("config.json")

　　cfg2 = Config("config.yaml")

　　print(cfg1 is cfg2) # 輸出：True

　　print(cfg1.config) # 輸出：{"host": "localhost", "port": 8080}

　　優(yōu)點(diǎn)：從底層控制實(shí)例創(chuàng)建，穩(wěn)定性強(qiáng);缺點(diǎn)：元類邏輯較復(fù)雜，新手不易理解。

　　(四)方法 4：模塊導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)(最簡單)

　　Python 模塊在首次導(dǎo)入時會生成.pyc文件，后續(xù)導(dǎo)入時直接加載已編譯的模塊，不會重新執(zhí)行模塊代碼。利用這一特性，可將單例實(shí)例定義在模塊中，實(shí)現(xiàn) “天然單例”。

　　TypeScript取消自動換行復(fù)制

　　# singleton_module.py(單例模塊)

　　class AppSettings:

　　def __init__(self):

　　self.theme = "light"

　　self.language = "en"

　　# 模塊內(nèi)創(chuàng)建唯一實(shí)例，外部直接導(dǎo)入該實(shí)例

　　app_settings = AppSettings()

　　TypeScript取消自動換行復(fù)制

　　# 外部使用

　　from singleton_module import app_settings

　　# 兩次導(dǎo)入的是同一實(shí)例

　　settings1 = app_settings

　　settings2 = app_settings

　　print(settings1 is settings2) # 輸出：True

　　settings1.theme = "dark"

　　print(settings2.theme) # 輸出：dark(屬性同步)

　　優(yōu)點(diǎn)：零額外代碼，依賴 Python 原生機(jī)制;缺點(diǎn)：實(shí)例在模塊導(dǎo)入時自動創(chuàng)建，無法延遲初始化(如需動態(tài)傳入?yún)?shù))。

　　(五)方法 5：使用functools.lru_cache(Python 3.2+)

　　利用lru_cache裝飾器緩存類的實(shí)例，限制實(shí)例創(chuàng)建數(shù)量。這種方法適合簡單場景，代碼極簡。

　　TypeScript取消自動換行復(fù)制

　　from functools import lru_cache

　　class Singleton:

　　@lru_cache(maxsize=1) # 緩存1個實(shí)例

　　def __new__(cls, *args, **kwargs):

　　return super().__new__(cls)

　　def __init__(self, value):

　　if not hasattr(self, "value"):

　　self.value = value

　　# 測試

　　s1 = Singleton(10)

　　s2 = Singleton(20)

　　print(s1 is s2) # 輸出：True

　　print(s1.value) # 輸出：10

　　優(yōu)點(diǎn)：代碼簡潔，依賴標(biāo)準(zhǔn)庫;缺點(diǎn)：lru_cache會緩存參數(shù)，若傳入不同參數(shù)仍返回同一實(shí)例，需謹(jǐn)慎使用。

　　三、單例模式的典型應(yīng)用場景

　　(一)資源密集型對象：避免重復(fù)創(chuàng)建

　　數(shù)據(jù)庫連接池：創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接需消耗網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存資源，單例模式確保全局僅一個連接池，避免連接數(shù)超限;

　　日志對象：日志寫入需確保線程安全，單例日志對象可避免多實(shí)例同時寫入導(dǎo)致的日志混亂。

　　(二)全局配置管理：保證數(shù)據(jù)一致性

　　應(yīng)用配置：配置文件(如數(shù)據(jù)庫地址、API 密鑰)加載后，全局需使用同一配置，單例模式可避免重復(fù)加載或配置不一致;

　　系統(tǒng)參數(shù)：如當(dāng)前登錄用戶信息、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，單例存儲可確保程序任何地方獲取的都是最新狀態(tài)。

　　(三)工具類對象：減少資源浪費(fèi)

　　計時器、計數(shù)器：全局唯一的計時器可統(tǒng)一統(tǒng)計程序運(yùn)行時間，避免多實(shí)例導(dǎo)致的計數(shù)偏差;

　　加密工具：加密算法初始化(如加載密鑰)耗時，單例模式確保僅初始化一次，提升性能。

　　Python 單例模式的實(shí)現(xiàn)方法各有優(yōu)劣：__new__重寫適合常規(guī)場景，模塊導(dǎo)入適合簡單場景，元類適合復(fù)雜控制，裝飾器適合批量復(fù)用。選擇時需結(jié)合需求 —— 若需延遲初始化，優(yōu)先__new__或裝飾器;若追求極簡，模塊導(dǎo)入是最佳選擇。