张芷铭的个人博客

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）

1. 定义

单例模式是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问该实例的方式。其核心思想是限制一个类在系统中只能存在一个对象实例，同时允许该对象的全局访问。

2. 使用场景

单例模式适用于以下场景：

  • 资源共享：如配置类、日志类、线程池、数据库连接池等，多个模块需要共享同一个资源。
  • 控制对某些全局资源的访问：确保只创建一个实例，避免多个实例导致冲突或浪费资源。

3. 优点

  • 全局访问：通过单例模式，确保全局仅有一个实例，避免重复创建，提高资源利用效率。
  • 控制实例数目：通过限制实例数量，可以有效防止因创建过多实例导致的系统开销。
  • 节省资源：对于重量级对象，单例模式可以节省系统资源，减少内存消耗。

4. 缺点

  • 难以扩展：由于单例类的全局性质，难以通过继承或其他方式进行扩展。
  • 隐藏依赖关系：因为单例类是全局的，其他类直接依赖它，可能会导致模块之间的耦合度增加，难以测试。
  • 并发问题：在多线程环境下实现不当，可能会导致线程安全问题。

5. 实现

单例模式的实现核心在于：

  • 构造方法私有化，禁止外部通过构造函数创建实例。
  • 提供一个静态方法，确保唯一实例的创建和访问。
  • 线程安全（在多线程环境下），确保多个线程在并发访问时不会创建多个实例。

以下是用 Python 实现的单例模式：

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class Singleton:
    _instance = None  # 类变量，用于存放单例实例

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

# 测试单例模式
singleton1 = Singleton()
singleton2 = Singleton()

print(singleton1 is singleton2)  # 输出: True，说明两者是同一个实例

6. 线程安全的单例模式

在多线程环境下，可能会出现两个线程同时创建实例的情况。为了解决这一问题，可以使用锁机制（如 threading.Lock）来确保线程安全：

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import threading

class Singleton:
    _instance = None
    _lock = threading.Lock()

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        with cls._lock:
            if cls._instance is None:
                cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

# 测试线程安全的单例模式
singleton1 = Singleton()
singleton2 = Singleton()

print(singleton1 is singleton2)  # 输出: True

7. 单例模式的变种

单例模式有多种变体，常见的变种包括：

  • 懒汉式单例（Lazy Initialization Singleton）：实例在第一次使用时才创建。
  • 饿汉式单例（Eager Initialization Singleton）：实例在类加载时就创建好，适用于实例的创建开销较小的场景。

8. 适用性与实践

在实际开发中，单例模式常用于需要共享资源、全局访问对象的场景，但要注意控制它的滥用。如果过度使用单例模式，会导致代码难以测试和维护，因为单例类无法通过依赖注入或其他模式轻松替换。

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