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单例模式

问题​

Python 中如何实现单例模式？有哪些方式？

答案​

方式一：模块级变量（最 Pythonic）​

Python 模块天然是单例——首次 import 时执行，之后缓存在 sys.modules：

config.py
class _Config:
    def __init__(self):
        self.debug = False
        self.db_url = "postgresql://localhost/db"

# 模块级单例
config = _Config()
# 其他模块直接导入
from config import config
config.debug = True

方式二：__new__ 方法​

class Singleton:
    _instance = None

    def __new__(cls, *args, **kwargs):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

a = Singleton()
b = Singleton()
assert a is b  # True

方式三：装饰器​

from functools import wraps

def singleton(cls):
    instances = {}

    @wraps(cls)
    def get_instance(*args, **kwargs):
        if cls not in instances:
            instances[cls] = cls(*args, **kwargs)
        return instances[cls]

    return get_instance

@singleton
class Database:
    def __init__(self, url: str):
        self.url = url

方式四：元类​

class SingletonMeta(type):
    _instances: dict = {}

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

class Logger(metaclass=SingletonMeta):
    pass

线程安全单例​

import threading

class ThreadSafeSingleton:
    _instance = None
    _lock = threading.Lock()

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            with cls._lock:
                if cls._instance is None:  # 双重检查
                    cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

常见面试问题​

Q1: 哪种方式最推荐？​

答案：

模块级变量最推荐。Python 的模块导入机制天然保证只初始化一次，代码最简洁，且是线程安全的（import 加锁）。只有在需要懒初始化或创建参数化单例时才考虑其他方式。

Q2: 单例模式的缺点？​

答案：

  1. 难以测试：全局状态导致测试间互相影响
  2. 隐藏依赖：代码内部直接引用单例，依赖不显式
  3. 替代方案：使用依赖注入（FastAPI Depends）代替全局单例

Q3: __new__ 和 __init__ 的区别？​

答案：

  • __new__：创建实例（分配内存），返回实例对象
  • __init__：初始化实例（设置属性），无返回值

单例用 __new__ 控制是否创建新实例。

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