单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，该模式的主要目的是确保某一个类只有一个实例存在。当你希望在整个系统中，某个类只能出现一个实例时，单例对象就能派上用场。

比如，某个服务器程序的配置信息存放在一个文件中，客户端通过一个 AppConfig 的类来读取配置文件的信息。如果在程序运行期间，有很多地方都需要使用配置文件的内容，也就是说，很多地方都需要创建 AppConfig 对象的实例，这就导致系统中存在多个 AppConfig 的实例对象，而这样会严重浪费内存资源，尤其是在配置文件内容很多的情况下。事实上，类似 AppConfig 这样的类，我们希望在程序运行期间只存在一个实例对象。

实现

在 Python 中，我们可以用多种方法来实现单例模式：

使用模块
使用 __new__
使用装饰器（decorator）
使用元类（metaclass）

基于 new

为了使类只能出现一个实例，我们可以使用 __new__ 来控制实例的创建过程，代码如下：

class Singleton(object):
    _instance = None
    def __new__(cls, *args, **kw):
        if not cls._instance:
            cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls, *args, **kw)  # 次类的实例对象
        return cls._instance  
s1 = Singleton() # 进入__new__
s2 = Singleton() # 不进入__new__

在上面的代码中，我们将类的实例和一个类变量 _instance 关联起来，如果 cls._instance 为 None 则创建实例，否则直接返回 cls._instance。

基于模块

其实，Python 的模块就是天然的单例模式，因为模块在第一次导入时，会生成 .pyc 文件，当第二次导入时，就会直接加载 .pyc 文件，而不会再次执行模块代码。因此，我们只需把相关的函数和数据定义在一个模块中，就可以获得一个单例对象了。如果我们真的想要一个单例类，可以考虑这样做：

class My_Singleton(object):
    def foo(self):
        pass
 
my_singleton = My_Singleton()

将上面的代码保存在文件 mysingleton.py 中，然后这样使用：

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from mysingleton import my_singleton
 
my_singleton.foo()

基于装饰器

def singleton(cls):
    _instance = {}

    def singleton_inner(*args, **kwargs):
        if cls not in _instance:
            _instance[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return _instance
    return singleton_inner


@singleton
class A(object):

    def func(self):
        pass

基于元类

类由type创建，创建类时，type的init方法自动执行，类() 执行type的 call方法(new方法+init方法)
对象由类创建，创建对象时，类的init方法自动执行，对象()执行类的 call 方法

class SingletonType(type):

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, "_instance"):
            cls._instance = super(SingletonType, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instance


class A(metaclass=SingletonType):

    def func(self):
        pass

加锁

但是使用类方式创建的单例，无法支持多线程,因此使用加锁的方式;

未加锁部分并发执行,加锁部分串行执行,速度降低,但是保证了数据安全

基于new方式加锁

import threading
class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __init__(self):
        pass

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(Singleton, "_instance"):
            with Singleton._instance_lock:
                if not hasattr(Singleton, "_instance"):
                    Singleton._instance = object.__new__(cls)
        return Singleton._instance

基于元类

import threading
class Singleton(type):
    _instance_lock = threading.Lock()

    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, "_instance"):
            with Singleton._instance_lock:
                if not hasattr(cls, "_instance"):
                    cls._instance = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instance


class A(metaclass=Singleton):
    def func(self):
        pass