引言

單例模式是軟件設計中最常用的模式之一，它確保一個類只有一個實例，并提供全局訪問點。在Python中，實現單例模式有多種優雅的方式，本文將詳細講解6種主流實現方法，包含完整代碼示例和注釋。

一、模塊級單例（最簡單實現）

原理：Python模塊天然具有單例特性，因為模塊只會被導入一次。

# singleton_module.py
class Singleton:def __init__(self):self.data = "Module-level Singleton"# 全局唯一實例
singleton_instance = Singleton()

# main.py
from singleton_module import singleton_instanceprint(singleton_instance.data)  # 輸出: Module-level Singleton

優點：

• 無需額外代碼，天然支持單例
• 簡單直接，適合簡單場景

缺點：

• 實例在模塊導入時即創建，無法懶加載
• 靈活性較差

二、__new__方法實現（經典方式）

原理：通過重寫__new__方法控制實例創建過程

class Singleton:_instance = Nonedef __new__(cls, *args, **kwargs):if not cls._instance:cls._instance = super().__new__(cls)cls._instance._initialized = Falsereturn cls._instancedef __init__(self):if self._initialized:returnself._initialized = Trueself.data = "Initialized once"s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)  # True

關鍵點：

• 使用類屬性_instance存儲唯一實例
• __init__方法通過標志位防止重復初始化

三、裝飾器實現（最靈活方式）

原理：使用裝飾器緩存類實例

from functools import wrapsdef singleton(cls):instances = {}@wraps(cls)def wrapper(*args, **kwargs):if cls not in instances:instances[cls] = cls(*args, **kwargs)return instances[cls]return wrapper@singleton
class Database:def __init__(self):print("Database created")db1 = Database()  # 輸出: Database created
db2 = Database()  # 無輸出
print(db1 is db2)  # True

優勢：

• 可復用，適用于任何類
• 代碼與業務邏輯分離

四、元類實現（最Pythonic方式）

原理：通過自定義元類控制類創建過程

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 Logger(metaclass=SingletonMeta):def __init__(self):self.messages = []log1 = Logger()
log2 = Logger()
print(log1 is log2)  # True

特點：

• 自動處理繼承關系
• 線程安全（Python3特性）

五、線程安全版本（多線程環境）

import threadingdef singleton(cls):instances = {}lock = threading.Lock()@wraps(cls)def wrapper(*args, **kwargs):with lock:if cls not in instances:instances[cls] = cls(*args, **kwargs)return instances[cls]return wrapper

六、惰性初始化（cached_property）

原理：利用Python 3.8+的cached_property特性

from functools import cached_propertyclass AppConfig:@cached_propertydef instance(self):print("Creating config")return {"theme": "dark"}config = AppConfig()
print(config.instance)  # 輸出配置并創建實例
print(config.instance)  # 直接返回緩存實例

各種實現方式對比

方法	線程安全	靈活性	復雜度	適用場景
模塊級單例	?	?	★☆☆☆☆	簡單全局對象管理
__new__方法	?	★★☆☆☆	★★☆☆☆	需要控制實例化過程
裝飾器	?	★★★★☆	★★☆☆☆	多類需要單例時
元類	?	★★★★☆	★★★☆☆	框架開發/復雜需求
cached_property	?	★★★☆☆	★★☆☆☆	惰性初始化場景

實際應用場景

1. 數據庫連接池：確保整個應用使用同一個連接池
2. 日志記錄器：統一管理日志輸出
3. 配置管理器：全局共享配置信息
4. 硬件設備驅動：如打印機、掃描儀等物理設備控制

注意事項

1. 線程安全：多線程環境下建議使用元類或加鎖版本
2. 序列化問題：元類實現可能影響pickle操作
3. 繼承問題：使用基類實現時需注意多重繼承
4. 測試建議：始終使用is運算符驗證單例

總結

• 簡單場景：優先選擇模塊級單例
• 多類復用：使用裝飾器方案
• 框架開發：推薦元類實現
• 惰性加載：使用cached_property

通過本文的6種實現方式，您可以根據具體場景選擇最合適的單例模式實現方案。每種方法都包含完整代碼和詳細注釋，方便直接應用到實際項目中。