单例模式的定义与特点

单例（Singleton）模式的定义：指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。例如，Windows中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

在计算机系统中，还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。单例模式有 3 个特点：

单例类只有一个实例对象；
该单例对象必须由单例类自行创建；
单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点；

单例模式的结构和实现

单例模式是设计模式中最简单的模式之一。通常，普通类的构造函数是公有的，外部类可以通过“new 构造函数()”来生成多个实例。但是，如果将类的构造函数设为私有的，外部类就无法调用该构造函数，也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例，并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。

单例模式的结构

单例类：包含一个实例且能自行创建这个实例的类
访问类：使用单例的类

结构如图所示：

图1 单例模式的结构图

单例模式的实现

1.懒汉式单例

该模式的特点是类加载时没有生成单例，只有当一次调用get_instance方法时才创建这个单例，代码实现如下：

class Singleton(object):
    __instance = None
    def __init__(self):
        if not self.__instance:
            print("调用__init__, 实例未创建")
        else:
            print("调用__init__，实例已经创建：", __instance)
    @classmethod
    def get_instance(cls):
        if not cls.__instance:
            cls.__instance = Singleton()
        return cls.__instance

优点：资源利用合理，不调用get_instance方法不创建单例对象。缺点：线程不安全，多线程时可能会获取到不同单例对象的情况。解决办法是加互斥锁，但会降低效率
线程安全的单例

2.饿汉式单例

该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例，保证在调用getinstance方法之前单例已经存在了，实现代码如下：

class Singleton(object):
    def __new__(cls):
        if not hasattr(cls, 'instance'):
            cls.instance = super(Singleton, cls).__new__(cls)
        return cls.instance

优点：线程安全；在类实例化前创建好一个静态对象，调用时反应速度快；直接执行其他方法和静态方法，单例实例不会初始化。缺点：不管使用与否，实例化前就初始化静态对象，资源浪费

3.线程安全的单例

import threading

def synchronized(func):
    func.__lock__ = threading.Lock()

    def lock_func(*args, **kwargs):
        with func.__lock__:
            return func(*args, **kwargs)
    return lock_func

class Singleton(object):
    instance = None

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

    def __init__(self, num):
        self.a = num + 5