單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是設計模式中一種創建型模式，廣泛應用于軟件開發中。一以下以故事化的方式，結合詳細的技術講解，介紹單例模式的背景、定義、適用場景，并提供python的示例代碼。

故事1:皇帝的玉璽

在古代的龍國，皇帝是國家的唯一最高統治者，象征權力的玉璽也只有一塊。無論多少大臣、多少事務需要蓋章，所有人都必須使用同一塊玉璽。皇帝下令：這塊玉璽是獨一無二的，不能有第二塊！誰敢私自造玉璽，格殺勿論！
于是，為了確保玉璽的唯一性，皇帝派專人保管，任何人需要蓋章時，都得向保管者申請使用這塊玉璽。這樣，全國上下都用同一塊玉璽，保證了權力的統一性和一致性。
有一天，鄰國的使者來訪，帶來了一個問題：如果多個大臣同時需要蓋章，玉璽如何分配？皇帝想了想，決定讓保管者記錄玉璽的使用情況，確保每次只有一個人能拿到玉璽使用，其他人必須排隊等待。這不僅保證了玉璽的唯一行，還避免了混亂。

這個故事中的玉璽，就是單例模式的完全體現：全局唯一、受控訪問。

在古代的一個小村莊里，有一口古老的“智慧之井”，據說井水能賦予飲用者無窮的智慧。村民們都想喝到井水，但村長發現，如果每個人都隨意打水，井水很快就會干涸。于是，村長宣布：全村只能有一個“水官”負責管理井水，每天只打一桶水，供大家享用。這個“水官”就是全村唯一的井水管理者，任何時候只有他能接觸到井水，確保井水不會被濫用。

這個故事就像程序設計中的單例模式。在軟件開發中，有些資源（如數據庫連接、配置文件、線程池等），就像“智慧之井”，如果每次都創建新實例，會浪費資源或導致沖突。單例模式就像村里的“水官”，確保全局只有一個實例，統一管理資源。

單例模式是什么？

單例模式（Singleton Pattern）是一種創建型設計模式，它保證一個類只有一個實例，并提供一個全局訪問點來獲取該實例。單例模式的核心是控制對象的創建過程，確保系統中該類的對象始終只有一個。

解決什么樣的問題

單例模式主要解決以下問題：

1、資源共享：避免多次創建對象導致的資源浪費（如數據庫連接池、日志對象）

2、全局狀態管理：需要一個全局唯一的對象來協調系統行為（如配置管理器、計數器）

3、控制并發訪問：防止多個實例同時操作同一資源導致的數據不一致（如線程池）

4、減少系統開銷：避免頻繁創建和銷毀對象，提升性能

適用場景

單例模式適用于以下場景

1、需要全局唯一實例的資源

• 配置文件管理器：整個應用共享同一份配置
• 日志記錄器：統一管理日志輸出
• 數據庫連接池：避免重復創建連接

2、需要控制資源訪問

• 線程池：統一管理線程資源
• 緩存管理器：全局共享緩存數據

3、需要全局協調的場景

• 計數器：記錄系統中某些操作的次數
• 狀態管理器：維護系統的全局狀態

優缺點

優點：

• 節省資源：只創建一個實例，減少內存和系統開銷
• 全局訪問點：提供統一的訪問入口，方便管理
• 嚴格控制實例：避免多實例帶來的沖突或數據不一致

缺點

• 單點故障：如果單例對象出現問題，可能影響整個系統
• 難以測試：單例的全局狀態可能導致單元測試復雜化
• 違反單一職責原則：單例既負責自身邏輯，又負責實例管理
• 擴展性差：難以繼承或修改，因為單例通常是靜態的

實現方式

單例模式有幾種常見實現方式

• 餓漢式：類加載時酒創建實例（線程安全，但可能浪費資源）
• 懶漢式：需要時才創建實例（需考慮線程安全）
• 雙檢鎖：懶漢式的線程安全優化
• 靜態內部類：結合餓漢式和懶漢式的優點（Java常用）
• 模塊級單例：Python的模塊天然支持單例

Python示例代碼

以下展示幾種Python實現單例模式的方式，并附上詳細注釋，為了貼合故事，代碼以“皇帝的玉璽”作為類名

方式1:經典懶漢式（線程不安全）

class ImperialSeal:# 私有類變量，存儲唯一實例_instance = Nonedef __new__(cls):# 如果實例不存在，則創建if cls._instance is None:cls._instance = super().__new__(cls)return cls._instancedef __init__(self):# 出事話只執行一次，防止重復初始化if not hasattr(self, '_initialized'):self._initialized = Trueself.seal_name = "Dragon Seal"def use_seal(self):print(f"Using the {self.seal_name} to stamp a decree!")# 測試代碼
if __name__ == "__main__":seal1 = ImperialSeal()seal2 = ImperialSeal()# Trueprint(f"Same instance: {seal1 is seal2}")# Using the Dragon Seal to stamp a decree!seal1.use_seal()

說明

• new方法控制實例創建，確保只有一個實例
• init適用_initialized防止重復初始化_
• 缺點：多線程環境下可能創建多個實例（線程不安全）

方式2:線程安全的懶漢式（使用鎖）

import threading
from threading import Lockclass ImperialSeal:# 私有類變量，存儲唯一實例_instance = None# 鎖，用于線程安全_lock = Lock()def __new__(cls):with cls._lock:if cls._instance is None:cls._instance = super().__new__(cls)return cls._instancedef __init__(self):if not hasattr(self, '_initialized'):self._initialized = Trueself.seal_name = "Dragon Seal"def use_seal(self):print(f"Using the {self.seal_name} to stamp a decree!")def create_seal():seal = ImperialSeal()print(f"Created seal: {id(seal)}")# 測試代碼
if __name__ == "__main__":threads = [threading.Thread(target=create_seal) for _ in range(5)]for t in threads:t.start()for t in threads:t.join()seal1 = ImperialSeal()seal2 = ImperialSeal()# Trueprint(f"Same instance: {seal1 is seal2}")# Using the Dragon Seal to stamp a decree!seal1.use_seal()

說明

• 使用threading.Lock確保多線程環境下之創建一次實例
• with cis.lock保證線程安全，但加鎖可能影響性能
• 適合多線程場景，如web服務器中的全局配置管理

方式3:Python模塊單例

Python的模塊本身是天然的單例，因為模塊只加載一次。以下展示如何利用模塊實現單例

# 單例模式 - 模塊級單例實現
# 通過在模塊級別定義全局唯一實例來實現單例模式class ImperialSeal:def __init__(self):self.seal_name = "Dragon Seal"  # 玉璽名稱def use_seal(self):print(f"使用 {self.seal_name} 蓋章于圣旨！")  # 使用玉璽蓋章# 定義全局唯一實例
seal = ImperialSeal()# 測試代碼
if __name__ == "__main__":# 直接引用模塊中的 seal 實例，模擬多次導入seal1 = sealseal2 = sealprint(f"是否為同一實例: {seal1 is seal2}")  # 應輸出 Trueseal1.use_seal()  # 輸出: 使用 Dragon Seal 蓋章于圣旨！

說明

• Python模塊在程序運行期間只加載一次，seal變量天然全局唯一
• 簡單高效，無需顯式控制實例創建
• 適合簡單場景，但不適合需要復雜初始化邏輯的情況

故事續篇：玉璽的挑戰

龍國的玉璽管理逐漸復雜，大臣們發現

• 并發問題：多個大臣同時申請玉璽，導致蓋章混亂（線程安全問題）
• 測試麻煩：玉璽的全局性讓模擬測試變的困難（單例的全局狀態問題）
• 擴展需求：鄰國提議聯合使用玉璽，但玉璽無法輕易擴展（單例擴展性差）

皇帝召集智囊團，決定

• 使用“鎖匠”（線程鎖）確保玉璽一次只被一人使用（線程安全單例）
• 編寫“玉璽副本”用于測試（依賴注入替換單例）
• 對于新需求，考慮“多玉璽模式”（非單例設計）

這個故事告訴我們：單例模式雖然簡單有效，但需謹慎使用，避免濫用導致維護困難

適用場景舉例

1、日志管理器：全局唯一的日志對象，確保日志寫入一致

import logging
# logging 模塊天然單例
logger = logging.getLogger("app")

2、數據庫連接池

import pymysqlclass DBConnection:_instance = Nonedef __new__(cls):if cls._instance is None:cls._instance = super().__new__(cls)cls._instance.conn = pymysql.connect(host="localhost",user="root",password="123456",database="test")return cls._instance

3、配置管理：全局讀取配置，避免重復加載

class Config:_instance = Nonedef __new__(cls):if cls._instance is None:cls._instance = super(Config, cls).__new__(cls)cls._instance.settings = {"api_key": "12345", "timeout": 30}return cls._instance

注意事項

• 線程安全：多線程環境下，有限適用鎖或模塊級單例
• 測試問題：單例的全局狀態可能影響單元測試，建議結合依賴注入
• 濫用風險：不宜將所有全局對象都用單例，可能導致單例過多，增加復雜性
• Python特性：Python的模塊機制天然支持單例，優先考慮模塊級單例以簡化代碼