Python实现单例模式的多种方法

一些Pythonic技巧实现的单例模式

目的
单例模式可以保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。什么情况下需要一个类只能创建一个实例这种情况呢？举一些例子，操作系统只能有一个文件系统，一个窗口管理器。
方法
为了实现单列模式，我们可以让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建（通过截取创建新对象的请求），并且它可以提供一个访问该实例的方法。
使用
当类只能有一个实例而且调用端可以从一个公共入口访问。
作为父类，用来扩展其他只能唯一实例化的类
注意
注意创建过程中的线程安全性。由于该模式需要一个静态变量来保存唯一的实例，为了线程安全需要改静态变量的线程安全。下面的实现保证线程安全采用加锁的方法。
单例模式中的主动实例化和被动实例化
主动实例化指在加载主类的时候就实例化单例类，并保存到类的静态变量中，它是线程安全的。被动实例化指在首次调用单例类静态方法或构造器时创建。问题：Python可以实现主动实例化吗？

实现

下面采用两种语言实现，同时考虑线程不安全的情况。

采用类变量是保存唯一实例

class Singleton:
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, '_instance'):
            cls._instance = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls._instance

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

class Demo(Singleton):
    spam = 1

考虑线程安全的情况。

import threading

class Singleton:
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        with threading.Lock():
            if not hasattr(cls, '_instance'):
                cls._instance = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls._instance

# 这种办法线程安全，但效率不高，没有必要一开始就加锁。可以先检查是否有实例化，
# 然后再加锁检查时候有实例化。第一次检查是为了是否需要进入加锁创建状态，第二
# 次检查是确认加锁前是否已经有现车实例化该类。

class Singleton:
    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if not hasattr(cls, '_instance'):
            with threading.Lock():
                if not hasattr(cls, '_instance'):
                    cls._instance = super().__new__(cls, *args, **kwargs)
        return cls._instance

class Demo(Singleton):
    spam = 1

使用元类方法

class Singleton(type):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        self.__instance = None
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if self.__instance is None:
            super().__call__(*args, **kwargs)
            return self._instance
        return self.__instance

class Demo(metaclass=Singleton):
    spam = 1

# 这种方法线程不安全，但更高级。其本质上和第一中的实现方式是一致的，
# 都采用静态变量来保存唯一实例。但采用元类的方式更使元类在创建类的
# 时候动态创建这个静态变量。如果有不同的类同时需要实现单列模式，但
# 它们又要求不能有同一父类，这种情况可以使用元类的实现。下面是线程
# 安全的方法，为了考虑性能，这一依旧采用先检测再加锁的方法。

class Singleton(type):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        self.__instance = None
        super().__init__(*args, **kwargs)

    def __call__(self, *args, **kwargs):
        if self.__instance is None:
            with threading.Lock():
                if self.__instance is None:
                    super().__call__(*args, **kwargs)
        return self.__instance

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