Паттерн Singleton (Одиночка)

Singleton (Одиночка) - это порождающий паттерн проектирования, который гарантирует, что у класса есть только один экземпляр, и предоставляет глобальную точку доступа к этому экземпляру.

Основные характеристики Singleton

Единственный экземпляр: Класс имеет только один экземпляр
Глобальный доступ: Экземпляр доступен из любой точки программы
Ленивая инициализация: Экземпляр создается только при первом обращении
Потокобезопасность: В многопоточной среде гарантирует создание только одного экземпляра

Когда использовать Singleton?

Паттерн Singleton наиболее эффективен в следующих случаях:

Управление общими ресурсами:
Логгирование
Подключения к базам данных
Файловые системы
Конфигурационные объекты:
Настройки приложения
Параметры среды выполнения
Кеширование:
Общий кеш данных
Хранилище сессий
Управление аппаратными ресурсами:
Принтеры
Графические процессоры

Реализация Singleton в Python

1. Базовый вариант (не потокобезопасный)

class Singleton:
    _instance = None

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

# Использование
s1 = Singleton()
s2 = Singleton()
print(s1 is s2)  # Выведет: True

2. Потокобезопасный вариант

from threading import Lock

class ThreadSafeSingleton:
    _instance = None
    _lock = Lock()

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

# Использование
ts1 = ThreadSafeSingleton()
ts2 = ThreadSafeSingleton()
print(ts1 is ts2)  # Выведет: True

3. Singleton как декоратор

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 DatabaseConnection:
    def __init__(self):
        print("Создано подключение к БД")

# Использование
db1 = DatabaseConnection()
db2 = DatabaseConnection()
print(db1 is db2)  # Выведет: True

4. Singleton через метакласс

class SingletonMeta(type):
    _instances = {}

    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):
    def __init__(self):
        self.logs = []

    def add_log(self, message):
        self.logs.append(message)

# Использование
logger1 = Logger()
logger2 = Logger()
logger1.add_log("Первое сообщение")
print(logger2.logs)  # Выведет: ['Первое сообщение']
print(logger1 is logger2)  # Выведет: True

Практические примеры использования

1. Логгер

class Logger:
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
            cls._instance.log_file = open('app.log', 'a')
        return cls._instance

    def log(self, message):
        self.log_file.write(f"{message}\n")
        self.log_file.flush()

    def __del__(self):
        if hasattr(self, 'log_file'):
            self.log_file.close()

# Использование
logger = Logger()
logger.log("Запуск приложения")

2. Конфигурация приложения

class AppConfig:
    _instance = None
    _config = {}

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
            # Загрузка конфигурации из файла
            cls._instance._config = {
                'database': 'localhost:5432',
                'debug': True,
                'timeout': 30
            }
        return cls._instance

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

# Использование
config = AppConfig()
print(config.get('database'))  # Выведет: localhost:5432

3. Подключение к базе данных

import sqlite3

class DatabaseConnection:
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super().__new__(cls)
            cls._instance.connection = sqlite3.connect('mydatabase.db')
        return cls._instance

    def execute(self, query):
        cursor = self.connection.cursor()
        cursor.execute(query)
        return cursor.fetchall()

# Использование
db = DatabaseConnection()
results = db.execute("SELECT * FROM users")

Преимущества и недостатки Singleton

Преимущества:

Контролируемый доступ к единственному экземпляру
Глобальный доступ без использования глобальных переменных
Ленивая инициализация (объект создается только при необходимости)

Недостатки:

Нарушает принцип единственной ответственности (решает две задачи: управление своим жизненным циклом и основную функциональность)
Усложняет тестирование (глобальное состояние)
Может скрывать плохой дизайн (когда компоненты знают слишком много друг о друге)
Проблемы в многопоточных средах (если не реализован правильно)

Альтернативы Singleton

Зависимости через конструктор (Dependency Injection)
Монады (в функциональном программировании)
Контекст приложения (передавать нужные объекты явно)