C++/python之设计模式（1）之什么是单例模式

注：整理一些突然学到的C++、python知识，随时mark一下
例如：忘记的关键字用法，新关键字，新数据结构

设计模式整理

C++/python之设计模式（1）之什么是单例模式
一、单例模式
- 1、C++单例模式例子
- 2、python单例模式例子
总结

提示：本文为 C++、python 中单例模式的写法和举例

一、单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，它确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局性的访问点来获取该实例。单例模式在多种场景中都很有用，例如配置信息的读取、日志记录、线程池管理、数据库连接池等，这些场景通常只需要一个全局唯一的对象来执行特定的任务。

要实现单例模式，通常需要遵循以下步骤：

将构造函数私有化：通过将构造函数设为私有，可以阻止类的外部代码通过new关键字创建该类的实例。

在类内部创建静态实例：由于构造函数是私有的，类的外部无法创建实例，因此需要在类内部创建一个静态的实例。这个实例会在类首次被加载到内存时创建。

提供公共的静态方法获取实例：为了从类的外部获取这个唯一的实例，需要提供一个公共的静态方法，如getInstance()，用于返回这个静态实例。

禁止拷贝：为了防止通过拷贝构造函数和拷贝赋值操作符创建额外的实例，通常将它们设为私有或者禁用（使用= delete）。

1、C++单例模式例子

下面是一个简单的单例模式的C++实现示例：

cpp

#include <iostream>  
#include <memory>  class Singleton {  
private:  // 私有构造函数，防止外部创建实例  Singleton() {  std::cout << "Singleton instance created." << std::endl;  }  // 禁用拷贝构造函数  Singleton(const Singleton&) = delete;  // 禁用拷贝赋值操作符  Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;  // 静态成员变量，保存唯一实例  static std::unique_ptr<Singleton> instance;  public:  // 静态方法，返回唯一实例  static Singleton* getInstance() {  if (!instance) {  instance.reset(new Singleton());  }  return instance.get();  }  // 其他成员函数...  void doSomething() {  std::cout << "Singleton doing something." << std::endl;  }  
};  // 类外初始化静态成员变量  
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;  int main() {  Singleton* singleton1 = Singleton::getInstance();  Singleton* singleton2 = Singleton::getInstance();  // 检查是否指向同一个实例  if (singleton1 == singleton2) {  std::cout << "singleton1 and singleton2 are the same instance." << std::endl;  }  singleton1->doSomething();  return 0;  
}

在这个例子中，Singleton类通过以下方式确保单例行为：

构造函数是私有的，因此外部代码无法创建Singleton的实例。
静态成员变量instance是一个std::unique_ptr，它负责在程序结束时自动删除Singleton的唯一实例。
getInstance()方法检查instance是否为空，如果是，则创建一个新的Singleton实例并返回其指针。由于instance是静态的，它只会被初始化一次，从而确保只有一个实例被创建。
拷贝构造函数和拷贝赋值操作符被禁用，防止了额外的实例被创建。
这个实现也考虑到了线程安全，因为在多线程环境下，可能会有多个线程同时调用getInstance()方法，从而导致创建多个实例。为了确保线程安全，通常需要使用互斥锁或其他同步机制来保护对instance的访问。在上面的示例中，由于使用了std::unique_ptr，在C++11及以后的版本中，其初始化是线程安全的，但getInstance()方法中的条件判断（如果实例为空则创建）并不是线程安全的，实际使用时需要添加适当的同步机制。

2、python单例模式例子

在Python中实现单例模式通常不需要像C++那样显式地控制构造函数和拷贝操作。Python提供了更简洁的方法来实现这一模式。下面是一个简单的Python单例模式的实现：

python

class Singleton:  _instance = None  def __new__(cls):  if not cls._instance:  cls._instance = super(Singleton, cls).__new__(cls)  return cls._instance  def do_something(self):  print("Singleton is doing something.")  # 使用单例  
singleton1 = Singleton()  
singleton2 = Singleton()  # 检查是否指向同一个实例  
if singleton1 is singleton2:  print("singleton1 and singleton2 are the same instance.")  singleton1.do_something()

在Python中，我们使用__new__方法而不是__init__方法来控制实例的创建。__new__方法在__init__之前被调用，用于创建并返回实例对象。在上面的代码中，_instance是一个类变量，它保存了单例的唯一实例。在__new__方法中，我们检查_instance是否为None，如果是，则调用父类的__new__方法创建一个新的实例并将其赋值给_instance。随后，我们总是返回_instance，确保无论多少次调用Singleton()，都返回同一个实例。

请注意，Python的单例实现不需要显式地禁止拷贝，因为Python中的对象是通过引用传递的，而不是通过值传递。因此，赋值操作实际上只是复制引用，而不是复制对象本身。此外，Python也没有像C++那样的拷贝构造函数和拷贝赋值操作符需要特别处理。

另外，如果你需要线程安全的单例，Python的__new__方法通常也已经是线程安全的，因为在CPython解释器中，全局解释器锁（GIL）确保了同一时间只有一个线程可以执行Python字节码。然而，如果你使用的是多进程环境或者对性能有严格要求的场景，可能需要使用更复杂的线程同步机制。在大多数情况下，简单的单例实现就已经足够了。

在Python中，super()函数用于调用父类（超类）的一个方法。当子类需要重写父类的方法，但又想保留父类的一些功能时，可以使用super()来调用父类的方法。在单例模式的上下文中，使用super()是为了确保当我们创建单例类的实例时，仍然按照正常的对象创建流程调用父类（即object类，因为所有Python类最终都继承自object）的__new__方法。

super(Singleton, cls).new(cls)做了以下几件事情：

super(Singleton, cls)返回一个临时对象，这个对象绑定到Singleton类的父类（在这种情况下是object类），并接收Singleton类作为第一个参数和当前类（由cls变量表示）作为第二个参数。

.new(cls)调用object类的__new__方法，并传入当前类（cls）作为参数。这实际上是请求Python为cls类创建一个新的实例。

在单例模式中，使用super()的目的是确保Singleton类的新实例是通过正常的Python对象创建机制来创建的，然后再通过我们的单例逻辑（即检查_instance是否为None）来确保我们不会意外地创建多个实例。