详解python单例模式与metaclass

脚本专栏 2025/11/23 佚名

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单例模式的实现方式

将类实例绑定到类变量上

class Singleton(object):
  _instance = None

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

但是子类在继承后可以重写__new__以失去单例特性

class D(Singleton):

  def __new__(cls, *args):
    return super(D, cls).__new__(cls, *args)

使用装饰器实现

def singleton(_cls):
  inst = {}

  def getinstance(*args, **kwargs):
    if _cls not in inst:
      inst[_cls] = _cls(*args, **kwargs)
    return inst[_cls]
  return getinstance

@singleton
class MyClass(object):
  pass

问题是这样装饰以后返回的不是类而是函数，当然你可以singleton里定义一个类来解决问题，但这样就显得很麻烦了

使用__metaclass__，这个方式最推荐

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


class MyClass(object):
  __metaclass__ = Singleton

metaclass

元类就是用来创建类的东西，可以简单把元类称为“类工厂”，类是元类的实例。type就是Python的内建元类，type也是自己的元类，任何一个类

> type(MyClass)
type
> type(type)
type

python在创建类MyClass的过程中，会在类的定义中寻找__metaclass__，如果存在则用其创建类MyClass，否则使用内建的type来创建类。对于类有继承的情况，如果当前类没有找到，会继续在父类中寻找__metaclass__，直到所有父类中都没有找到才使用type创建类。
如果模块里有__metaclass__的全局变量的话，其中的类都将以其为元类，亲自试了，没这个作用，无任何影响

查看type的定义，

type(object) -> the object's type
type(name, bases, dict) -> a new type

所以利用type定义一个类的元类，可以用函数返回一个上面第二种定义的对象，也可以继承type并重写其中的方法。

直接使用type生成的对象作为元类，函数作用是使属性变为大写

def update_(name, bases, dct):
  attrs = ((name, value) for name, value in dct.items() if not name.startswith('__'))
  uppercase_attr = {name.upper(): value for name, value in attrs}
  return type(name, bases, uppercase_attr)


class Singleton(object):
  __metaclass__ = update_
  abc = 2

d = Singleton()
print d.ABC
# 2

上一节中，单例模式元类实现用的是类继承方式，而对于第一种__new__的方式，本质上调用的是type.__new__，不过使用super能使继承更清晰一些并避免一些问题

这里简单说明一下，__new__是在__init__前调用的方法，会创建对象并返回，而__init__则是用传入的参数将对象初始化。看一下type中这两者以及__call__的实现

def __init__(cls, what, bases=None, dict=None): # known special case of type.__init__
    """
    type(object) -> the object's type
    type(name, bases, dict) -> a new type
    # (copied from class doc)
    """
    pass

@staticmethod # known case of __new__
def __new__(S, *more): # real signature unknown; restored from __doc__
  """ T.__new__(S, ...) -> a new object with type S, a subtype of T """
  pass

def __call__(self, *more): # real signature unknown; restored from __doc__
  """ x.__call__(...) <==> x(...) """
  pass

前面提到类相当于元类的实例化，再联系创建单例模式时使用的函数，用的是__call__，其实用三种magic method中任何一种都是可以的，来看一下使用元类时各方法的调用情况

class Basic(type):
  def __new__(cls, name, bases, newattrs):
    print "new: %r %r %r %r" % (cls, name, bases, newattrs)
    return super(Basic, cls).__new__(cls, name, bases, newattrs)

  def __call__(self, *args):
    print "call: %r %r" % (self, args)
    return super(Basic, self).__call__(*args)

  def __init__(cls, name, bases, newattrs):
    print "init: %r %r %r %r" % (cls, name, bases, newattrs)
    super(Basic, cls).__init__(name, bases, dict)


class Foo:
  __metaclass__ = Basic

  def __init__(self, *args, **kw):
    print "init: %r %r %r" % (self, args, kw)

a = Foo('a')
b = Foo('b')

结果

new: <class '__main__.Basic'> 'Foo' () {'__module__': '__main__', '__metaclass__': <class '__main__.Basic'>, '__init__': <function init at 0x106fd5320>}
init: <class '__main__.Foo'> 'Foo' () {'__module__': '__main__', '__metaclass__': <class '__main__.Basic'>, '__init__': <function init at 0x106fd5320>}
call: <class '__main__.Foo'> ('a',)
init: <__main__.Foo object at 0x106fee990> ('a',) {}
call: <class '__main__.Foo'> ('b',)
init: <__main__.Foo object at 0x106feea50> ('b',) {}

元类的__init__和__new__只在创建类Foo调用了一次，而创建Foo的实例时，每次都会调用元类的__call__方法

以上就是本文的全部内容，对python单例模式与metaclass进行了描述，希望对大家的学习有所帮助。

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