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類型：Creational Pattern 別名：單例模式（Single Instance Pattern）

💡 1. 定義（Definition）

Singleton Pattern 確保一個類別在整個應用程式中只有一個實例（Instance），並且提供一個全域訪問點（Global Access Point）來取得該實例。

📘 它解決的問題是：「如何確保某些資源（例如連線池、設定檔、Logger）在整個系統中只有一份。」

🎯 2. 問題背景（Problem Statement）

有些物件不應被重複建立，例如：
- 資料庫連線池
- 設定檔讀取器
- 全域日誌紀錄器
若多個模組同時初始化自己的實例，會造成：
- 資源衝突或競爭（Resource Contention）
- 記憶體浪費
- 資料不一致（不同模組持有不同設定）

👉 解法：

確保整個應用中「同一類別永遠只有一份物件」。

⚙️ 3. 解決方案（Solution）

Singleton 使用 私有建構子（Private Constructor） 與 全域存取方法（Static Method），讓外部無法直接建立新實例，只能透過統一入口取得同一個實例。

🧱 4. 結構與角色（Structure & Participants）

角色	職責
Singleton 類別	管理自己的唯一實例，提供全域存取方法
Client	使用 Singleton 的全域實例

classDiagram class Singleton { - instance : Singleton - __init__() + get_instance() Singleton } Singleton <.. Client : uses

🧩 5. 程式碼範例（Code Example, Python）

class Singleton:
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            print("Creating new instance...")
            cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

# 測試
a = Singleton()
b = Singleton()
print(a is b)  # True

🧠 說明：

new 是 Python 負責建立物件的特殊方法。
我們在這裡控制它，確保僅建立一次實例。

✅ 進階版本（執行緒安全）

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:
                    print("Creating new thread-safe instance...")
                    cls._instance = super().__new__(cls)
        return cls._instance

💡 雙重檢查鎖（Double-checked Locking）避免多執行緒同時建立多個實例。

🧠 Pythonic 寫法（使用裝飾器）

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 Config:
    def __init__(self):
        print("Loading configuration...")

cfg1 = Config()
cfg2 = Config()
print(cfg1 is cfg2)  # True

🧠 6. 實際應用場景（Real-world Use Cases）

場景	實例
🔧 應用設定管理	全域 config loader（讀環境變數或設定檔）
🗃️ 資料庫連線	共享同一個 SQLAlchemy Session factory
🧾 Logging	全域 logger instance
⚙️ Cache	Redis client 全域共用
🌐 SDK	API client（如 AWS boto3）

⚖️ 7. 優點與缺點（Pros & Cons）

優點	缺點
✅ 節省資源，避免重複建立物件	❌ 不易測試，會造成全域依賴
✅ 統一管理共享資源	❌ 難以擴展，多執行緒需特別處理
✅ 確保狀態一致性	❌ 違反依賴注入原則（Dependency Injection）

🔍 8. 與其他模式比較（Comparison）

模式	差異
Factory Pattern	Factory 每次都產生新物件；Singleton 永遠只有一個。
Monostate Pattern	Monostate 多個物件共享同一狀態，Singleton 只有單一實例。
Module Pattern（Pythonic）	Python 模組天生就是 Singleton（import 只執行一次）。

🧭 9. 實務設計指引（Design Tips）

✅ 適用於資源昂貴、需共用的服務（DB、Config、Cache）
🚫 不適合在高測試需求的環境（難以 mock / 重置）
💬 若在微服務中，可用 DI Container（例如 FastAPI Depends）取代
🧰 可結合 Factory 或 Lazy Initialization 優化效能

🧮 10. 面試考點（Interview Insights）

常見問法	你應該回答的重點
什麼是 Singleton？	保證只有一個實例存在。
如何在多執行緒環境實作？	使用鎖（Lock）或同步機制。
Python 模組是不是 Singleton？	是。模組導入只執行一次。
缺點是什麼？	難測試、全域依賴、破壞封裝性。

✅ 11. 一句話總結（One-liner Summary）

「Singleton Pattern 讓全系統共享同一個物件，適合用於設定、連線、日誌等需要全域唯一實例的場景。」

📚 12. 延伸閱讀（Further Reading）

📘 Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software
🧩 Refactoring.Guru – Singleton Pattern![Attachment.tiff](file:///Attachment.tiff)
🧱 Source code: SQLAlchemy Session Singleton Example![Attachment.tiff](file:///Attachment.tiff)