1 需求
2 接口
3 示例
4 参考资料
单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。在 Python 中，实现单例模式有多种方式，下面介绍几种常见的实现方法及其优缺点。
1. 使用模块（Pythonic 方式）
Python 的模块天然就是单例的，因为模块在第一次导入时会被创建并缓存，后续导入会直接使用缓存的实例。
实现示例：
# singleton.py
class Singleton:
def __init__(self):
self.value = None
def do_something(self):
print(f"Singleton instance: {id(self)}, value: {self.value}")
# 创建唯一实例
singleton_instance = Singleton()
使用方式：
from singleton import singleton_instance
singleton_instance.value = "Hello"
singleton_instance.do_something() # 输出: Singleton instance: 1405... value: Hello
# 其他模块导入的是同一个实例
from another_module import another_function
another_function() # 输出相同的实例 ID
优点：
- 实现简单，无需额外代码
- 线程安全
- 天然延迟初始化（模块首次导入时创建实例）
缺点：
- 无法延迟初始化（除非通过函数包装）
- 不够灵活（例如无法传入参数）
2. 使用类方法（经典实现）
通过类方法控制实例的创建，确保只有一个实例被创建。
实现示例：
class Singleton:
_instance = None
@classmethod
def get_instance(cls):
if cls._instance is None:
cls._instance = cls()
return cls._instance
def __init__(self):
if self._instance is not None:
raise RuntimeError("Use get_instance() to create the instance")
# 初始化代码
使用方式：
s1 = Singleton.get_instance()
s2 = Singleton.get_instance()
print(s1 is s2) # 输出: True
优点：
- 延迟初始化（首次调用
get_instance()时创建实例） - 明确的创建接口
缺点：
- 每次调用都需要通过类方法，不够简洁
- 多线程环境下可能创建多个实例（需加锁）
3. 使用元类（高级实现）
元类可以控制类的创建过程，确保类只有一个实例。
实现示例：
class SingletonMeta(type):
_instances = {}
def __call__(cls, *args, **kwargs):
if cls not in cls._instances:
cls._instances[cls] = super().__call__(*args, **kwargs)
return cls._instances[cls]
class Singleton(metaclass=SingletonMeta):
def __init__(self):
# 初始化代码
pass
使用方式：
s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2) # 输出: True
优点：
- 透明的实例化（直接通过类名创建实例）
- 支持继承
- 线程安全（元类的
__call__方法在多线程环境下是原子操作）
缺点：
- 实现复杂，理解门槛较高
- 不支持延迟初始化（类定义时即创建实例）
4. 使用装饰器
通过装饰器包装类，确保只有一个实例。
实现示例：
def singleton(cls):
instances = {}
def wrapper(*args, **kwargs):
if cls not in instances:
instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
return instances[cls]
return wrapper
@singleton
class MySingleton:
def __init__(self):
# 初始化代码
pass
使用方式：
s1 = MySingleton()
s2 = MySingleton()
print(s1 is s2) # 输出: True
优点：
- 简单易用
- 支持参数传递
缺点：
- 不支持继承
- 不支持延迟初始化（除非通过内部函数包装）
5. 懒汉式单例（延迟初始化）
结合类方法和锁机制，实现线程安全的延迟初始化。
实现示例：
import threading
class LazySingleton:
_instance = None
_lock = threading.Lock()
@classmethod
def get_instance(cls):
if cls._instance is None:
with cls._lock:
# 双重检查锁定
if cls._instance is None:
cls._instance = cls()
return cls._instance
优点：
- 线程安全
- 延迟初始化
缺点：
- 实现复杂
- 每次调用都需要加锁，性能开销略高
单例模式的应用场景
- 日志系统：全局唯一的日志记录器，避免重复配置。
- 数据库连接池：共享同一个连接池实例，避免资源浪费。
- 配置管理：全局配置中心，确保所有模块使用相同配置。
- 资源管理器：如文件系统、网络连接等，需要统一管理的资源。
注意事项
- 测试困难：单例可能影响单元测试的独立性，需谨慎设计。
- 多线程 / 多进程：需考虑线程安全和进程间通信问题。
- 反模式争议：单例可能导致代码耦合度高，应根据场景合理使用。
选择哪种实现方式取决于具体需求，推荐优先使用模块级单例或元类方式，它们更符合 Python 的设计哲学且实现简洁。