Python - 单例类

你好，有抱负的程序员们！今天，我们将开始一段激动人心的Python编程世界之旅。我们的目的地是？单例类的神秘之地！不要担心，如果这听起来有点吓人——我保证在本教程结束时，你将成为单例类的大师。那么，让我们开始吧！

Python - Singleton Class

什么是单例类？

在我们开始编码之前，让我们了解一下什么是单例类。想象一下，你正在玩一个视频游戏，游戏中只有一个你可以控制的角色。无论你保存和重新加载游戏多少次，你总是控制同一个角色。本质上，单例类在编程中做的就是这一点——它确保一个类只有一个实例，并为其提供一个全局访问点。

在Python中创建单例类

在Python中，有几种方法可以创建单例类。我们将探讨两种主要方法：使用__init__和使用__new__。但是首先，让我们看看我们为什么需要单例类。

为什么使用单例？

当你想确保整个程序中只有一个类的实例存在时，单例非常有用。这对于以下情况很有帮助：

管理全局状态
协调系统中的操作
管理共享资源，如数据库连接

现在，让我们卷起袖子开始编码！

使用 init

我们的第一个方法涉及使用__init__方法，该方法在创建对象时被调用。以下是我们如何使用__init__创建单例：

class Singleton:
_instance = None

def __init__(self):
if Singleton._instance is None:
Singleton._instance = self
else:
raise Exception("这个类是单例的！")

@staticmethod
def get_instance():
if Singleton._instance is None:
Singleton()
return Singleton._instance

# 使用
s1 = Singleton.get_instance()
s2 = Singleton.get_instance()
print(s1 is s2)  # 输出：True

# 这将引发异常
# s3 = Singleton()

让我们分解一下：

我们定义了一个类变量_instance来保存我们的单一实例。
在__init__方法中，我们检查是否已存在实例。如果不存在，我们创建一个。如果存在，我们引发一个异常。
我们提供了一个get_instance()方法来访问我们的单例。这个方法如果不存在实例则创建一个，如果存在则返回现有实例。

运行此代码时，s1和s2将是同一个实例。尝试直接创建新实例（如s3 = Singleton()）将引发异常。

使用 new

现在，让我们看看另一种使用__new__的方法。这个方法在创建新实例之前于__init__之前被调用。

class Singleton:
_instance = None

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

# 使用
s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)  # 输出：True

以下是发生的情况：

我们重写了__new__方法，该方法负责创建并返回一个新的实例。
如果_instance为None，我们使用super().__new__(cls)创建一个新实例。
我们总是返回_instance，无论它是新创建的还是已经存在的。

这种方法更为简洁，不需要单独的get_instance()方法。

比较两种方法

让我们用一张方便的表格来比较这些方法：

方法	优点	缺点
`__init__`	- 更明确的控制 - 可以防止直接实例化	- 需要单独的`get_instance()`方法 - 稍微复杂一些
`__new__`	- 更简洁 - 支持直接实例化	- 控制不够明确 - 对初学者可能不太直观

两种方法都实现了相同的目标，因此选择通常取决于个人偏好或项目的具体要求。

现实世界示例

最后，让我们来看一个现实世界的例子。假设我们正在创建一个游戏，并希望确保只有一个玩家角色：

class PlayerCharacter:
_instance = None

def __new__(cls):
if cls._instance is None:
cls._instance = super().__new__(cls)
cls._instance.name = "英雄"
cls._instance.health = 100
cls._instance.level = 1
return cls._instance

def level_up(self):
self.level += 1
print(f"{self.name} 升级到了 {self.level} 级！")

# 使用
player1 = PlayerCharacter()
player2 = PlayerCharacter()

print(player1.name)  # 输出：英雄
print(player2.name)  # 输出：英雄

player1.level_up()  # 输出：英雄升级到了 2 级！
print(player2.level)  # 输出：2

在这个例子中，无论我们创建多少次PlayerCharacter，我们总是得到同一个实例。这确保了我们的游戏只有一个玩家角色，保持了整个游戏的一致状态。

就这样！你已经掌握了在Python中创建单例类的艺术。请记住，像任何强大的工具一样，明智地使用单例。它们在管理全局状态或共享资源方面非常出色，但过度使用它们可能会使你的代码更难测试和维护。

继续练习，继续编码，最重要的是，继续享受！下次见，编程愉快！

Credits: Image by storyset