Python元类应用之单例模式

1、什么是Python元类

参考文章《Python元类》

2、什么是单例模式

单例模式(Singleton pattern)是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一个类只有一个实例而且该实例易于外界访问，从而方便对实例个数的控制并节约系统资源。如果希望在系统中某个类的对象只能存在一个，单例模式是最好的解决方案。

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是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，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

3、利用new实现单例

# -*- coding: utf8 -*-

class Singleton(object):
    def __init__(self):
        print 'entrance of __init__'

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

if __name__ == '__main__':
    s1 = Singleton()
    s2 = Singleton()

    print s1, s2

Python中通常利用__new__函数实现单例模式。__new__函数负责构造对象，类似于C++中的构造函数。因此为了使类只能创建一个实例对象，我们可以重载__new__函数的行为，使其只能构造一个实例。在上述代码中，给Singleton类赋予了一个_instance属性，如果_instance属性为None则创建实例对象，并使_instance属性引用（指向）该对象，否则直接返回_instance所引用的对象。因此代码中的s1和s2实际上引用了同一个内存对象。

4、利用元类call实现单例

# -*- coding: utf8 -*-

# 单例模式
class SingletonMetaClass(type):
    def __init__(cls, *args, **kwargs):
        """
        初始化类
        :param args:
        :param kwargs:
        """
        print 'MetaClass.__init__ called'
        print cls._instance
        super(SingletonMetaClass, cls).__init__(*args, **kwargs)


    def __new__(cls, name, bases, attrs):
        """
        创建类，负责类的行为和属性的创建
        :param name:
        :param bases:
        :param attrs:
        :return:
        """
        print 'MetaClass.__new__ called'

        # 单例模式
        cls._instance = None

        return type.__new__(cls, name, bases, attrs)

    # __call__方法其实和类的创建过程和实例化没有多大关系了，定义了__call__方法才能被使用函数的方式执行。
    # 被该元类创建的类，属于该元类的一个实例。因此创建其实例的时候，会调用元类的__call_方法
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        """
        使类变为可调用对象
        :param args:
        :param kwargs:
        :return:
        """
        print 'MetaClass.__call__ called'
        if cls._instance is None:
            # 这里会去调用类的__new__函数
            cls._instance = super.__call__(SingletonMetaClass, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instance

class A():
    __metaclass__ = SingletonMetaClass

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        print 'A.__new__ called'
        return super(A, cls).__new__(cls, *args, **kwargs)

if __name__ == '__main__':
    # 因为类A是SingletonMetaClass的一个实例，执行A()时会调用元类SingletonMetaClass的__call__方法
    a1 = A()
    print a1
    a2 = A()
    print a2

我们知道，在Python中类也是对象，元类是创建类的类，因此类实际上是元类的实例对象。在Python中，如果一个对象定义了__call__方法，那么该对象为可调用对象，意思是可以用调用函数的形式来调用对象。

Python的__new__方法负责创建对象，__init__方法负责初始化对象。在上述代码中，只有类A被创建后才能创建类A的对象，因此为了先创建出类A，SingletonMetaClass的__new__和__init__方法会首先被执行。当执行语句A()创建类A的对象时，根据__call__方法的定义，由于类A是元类SingletonMetaClass的对象，所以可以预料元类SingletonMetaClass的__call__方法会调用。

因此上述代码中SiingletonMetaClass的__new__和__init__方法仅执行一次，而每次调用A()创建类A的实例时，都会调用SingletonMetaClass的__call__方法。因此为了实现单例模式，我们在元类的__call__方法中判断了cls的_instance属性是否为None，如果为None则调用元类父类（即type）的__call__方法，type.__call__方法会调用类A的__new__方法创建类A的一个实例，然后将_instance属性指向该实例，从而实现只有一个实例。下面是一次执行结果：

MetaClass.__new__ called
MetaClass.__init__ called
None
MetaClass.__call__ called
A.__new__ called
<__main__.A object at 0x00000000036D2EB8>
MetaClass.__call__ called
<__main__.A object at 0x00000000036D2EB8>