学习之面试题：单例模式

什么是单例模式？

单例模式是一种设计模式，它保证一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点用于访问该实例。其主要目的是控制共享资源的访问。

为什么我们需要单例模式？

单例模式可以用于控制资源的消耗，避免频繁创建和销毁对象，同时也可以简化系统配置，使得某些类的对象在整个系统中具有唯一的实例，比如日志对象、数据库连接等。

如何在 Python 中实现单例模式？

下面是一些常见的实现方式：

方法一：使用模块
Python 模块本身就是单例的，所以在一个模块中定义的类可以被多个脚本共享。

方法二：使用 __new__ 方法
重写类的 __new__ 方法来控制实例的创建过程，确保只创建一次实例。

class Singleton(object):
    _instance = None

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

singleton_instance = Singleton()


方法三：使用装饰器
可以创建一个装饰器来管理单例逻辑。

def singleton(cls):
    instances = {}
    def get_instance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]
    return get_instance

@singleton
class MyClass(object):
    pass

my_instance = MyClass()
方法四：使用元类（MetaClass）
利用Python的元编程特性来控制类的行为。

class Singleton(type):
    _instances = {}
    def __call__(cls, *args, **kwargs):
        if cls not in cls._instances:
            cls._instances[cls] = super(Singleton, cls).__call__(*args, **kwargs)
        return cls._instances[cls]

class MyClass(metaclass=Singleton):
    pass

my_instance = MyClass()


方法五：使用线程局部存储（Thread Local Storage）
如果需要在多线程环境中使用单例，可以考虑使用 threading.local 来保证线程安全。


import threading

class Singleton(object):
    _instance_lock = threading.Lock()
    _instance = None

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

singleton_instance = Singleton()

在多线程环境中如何保证单例模式的安全性？

在多线程环境中，为了防止多个线程同时进入 if instance is None 判断条件的情况，可以使用锁机制（如 threading.Lock() 或 threading.RLock()）来确保线程安全。

单例模式有哪些优缺点？

优点：
控制实例的产生，节省系统资源。
提供了一个全局访问点，方便获取对象实例。
缺点：
违背了单一职责原则，将类的实例化与业务逻辑混在一起。
增加了系统的复杂度，降低了程序的可测试性。
过度使用会导致系统难以理解和维护。

你能给出一个简单的单例模式实现的例子吗？

Python
深色版本
class Singleton:
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

# 使用例子
s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
assert s1 is s2

单例模式是否适用于所有情况？
不一定，单例模式的应用场景有限，通常用于那些需要频繁访问且创建成本较高的对象。在现代软件开发中，依赖注入和 IoC 容器等技术逐渐成为更好的替代方案。