单例模式练习

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单例模式自测小练习——详细说明与参考答案

本文对《Python 设计模式——单例模式》文末的八、自测小练习做逐题详解，包括：题目在考什么、实现思路、完整代码和验证方式，并附带练习 3 的思考指引。

练习一：用 __new__ + _initialized 实现 Settings 单例

题目要求

写一个 Settings 类，用 __new__ 实现单例，并在 __init__ 里用 _initialized 保证只加载一次默认配置（例如一个字典）。

在考什么？

  • 能否用 __new__ 控制“只创建一次实例”。
  • 是否理解：单例时 __init__ 可能被多次调用，需要用标志位（如 _initialized）保证“默认配置”只加载一次。

实现思路

  1. 单例：类属性 _instance 存唯一实例；__new__ 里若 _instance is None 则 super().__new__(cls) 并赋给 _instance，否则直接返回 _instance。
  2. 只加载一次配置：在 __init__ 里先判断是否已初始化（例如 _initialized）；若未初始化，则加载默认配置字典并置 _initialized = True，否则不做任何事。

参考答案

class Settings:
    _instance = None
    _initialized = False

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

    def __init__(self):
        if Settings._initialized:
            return
        Settings._initialized = True
        # 只执行一次的“默认配置”加载
        self.config = {
            "theme": "light",
            "language": "zh",
            "debug": False,
        }
        print("默认配置已加载（只执行一次）")

    def get(self, key):
        return self.config.get(key)

    def set(self, key, value):
        self.config[key] = value

# 验证单例 + 只加载一次配置
s1 = Settings()  # 输出：默认配置已加载（只执行一次）
s2 = Settings()  # 无输出

print(s1 is s2)           # True —— 是同一个对象
print(s1.get("theme"))    # light
s2.set("theme", "dark")
print(s1.get("theme"))    # dark —— 共用同一份 config

验证要点

  • s1 is s2 为 True。
  • “默认配置已加载”只打印一次。
  • 通过 s1 或 s2 修改 config，另一边读取到的是同一份数据。

练习二：用装饰器把 Settings 改成单例并验证

题目要求

用装饰器方式，把上面的 Settings 改成装饰器单例，并验证两次获取是同一对象。

在考什么？

  • 能否写出一个“单例装饰器”：用字典保存“类 → 实例”，第一次创建后后续都返回同一实例。
  • 能否去掉 __new__ 单例逻辑，仅靠装饰器实现单例。
  • 验证时用 id() 或 is 判断两次获取的是同一对象。

实现思路

  1. 定义装饰器函数 singleton(cls)，内部维护 instances = {}。
  2. 定义内层函数 get_instance(*args, **kwargs)：若 cls not in instances 则 instances[cls] = cls(*args, **kwargs)，然后 return instances[cls]。
  3. 返回 get_instance（注意返回的是函数，所以 Settings 名字实际指向的是该函数，调用 Settings() 即调用 get_instance()）。
  4. 被装饰的类可以恢复成“普通类”，只负责业务（如 config 字典），单例逻辑完全由装饰器负责。

参考答案

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 Settings:
    def __init__(self):
        self.config = {
            "theme": "light",
            "language": "zh",
            "debug": False,
        }
        print("Settings 被创建")

    def get(self, key):
        return self.config.get(key)

    def set(self, key, value):
        self.config[key] = value

# 验证两次获取是同一对象
s1 = Settings()   # 输出：Settings 被创建
s2 = Settings()   # 无输出

print(s1 is s2)              # True
print(id(s1) == id(s2))      # True
print(s1.get("theme"))       # light
s2.set("theme", "dark")
print(s1.get("theme"))       # dark

验证要点

  • s1 is s2 为 True，id(s1) == id(s2) 为 True。
  • “Settings 被创建”只打印一次。
  • 对 s1/s2 的 config 修改是同一份数据。

练习三：思考项目里是否适合用单例

题目要求

思考：你当前项目里，有没有“全局只需要一个”的对象？它适合做成单例吗？

在考什么？

  • 能否把单例的适用场景（全局唯一、大家共用）和不适用场景（多实例、需要隔离、便于测试）区分开。
  • 能否在实际项目里识别候选对象，并判断是否“适合”单例（而不是滥用）。

思考指引（可写在笔记里）

  1. 先找“全局只需一个”的候选

    • 配置/环境变量读取器
    • 数据库连接池、Redis 客户端
    • 日志 Logger
    • 缓存管理器、线程池
    • 应用主窗口、全局事件总线等

  2. 再判断“是否适合单例”

    • 适合：确实全局共用、无多套配置/多连接池需求、创建成本高或状态需要集中管理。
    • 需谨慎：要方便单元测试时，单例的“全局唯一”会带来隐藏依赖，可考虑依赖注入或提供“测试用重置接口”。
    • 不适合：需要多个独立实例（如多个数据库连接、多套配置）、需要频繁 mock 替换的对象，用普通实例 + 注入更合适。

  3. 简单自问

    • “这个对象在整个程序里是否真的只能有一个？”
    • “如果做成单例，测试时会不会很难替换或清理？”
    • “用传参或依赖注入能不能更清晰？”

回答完以上，再决定是否用单例。

示例回答（可作模板）

  • 项目里有的对象：例如“从 config.json 读取的配置”。
  • 是否全局只需一个：是，所有模块读同一份配置。
  • 是否适合单例：适合，用单例或模块级变量都可以；若项目已有依赖注入容器，用“注入一个配置对象”也可以，不一定非要单例类。

小结

  • 练习一：掌握 __new__ 单例 + _initialized 保证只初始化一次，重点理解“单例时 __init__ 可能被多次调用”。
  • 练习二：掌握用装饰器把任意类变成单例，并会用 is / id 验证“两次获取是同一对象”。
  • 练习三：在项目里识别“全局只需一个”的对象，并判断是否适合单例，避免滥用。

做完以上三点，对单例模式的理解会比较扎实。建议多敲几遍示例代码，再结合小练习巩固。

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