Какие есть варианты реализации синглтона в Python и их плюсы и минусы

Что проверяют

Понимаете ли вы, как в Python создаётся объект (__new__, __init__, __call__ у метакласса), и можете ли честно назвать цену синглтона. Почти всегда следом спрашивают про потокобезопасность и про то, как такой код тестировать.

Как отвечать

Назовите основные способы и сразу их слабые места:

• модуль: объект создаётся на уровне модуля, импорт кэшируется в sys.modules, и все получают один экземпляр. Самый питоничный вариант, хотя сам класс по-прежнему можно инстанцировать ещё раз;
• __new__ с атрибутом класса: возвращает сохранённый _instance. Подвох в том, что __init__ вызывается при каждом Singleton() и перезаписывает состояние;
• декоратор: функция с кэшем экземпляров. Имя класса теперь указывает на функцию, поэтому ломаются isinstance, наследование и доступ к методам класса;
• метакласс: переопределённый __call__ контролирует и создание, и инициализацию, наследники получают поведение автоматически. Цена: код сложнее читать, возможны конфликты с другими метаклассами;
• фабрика с functools.cache: функция get_settings() создаёт объект при первом вызове. Приём популярен в FastAPI для настроек, а в тестах кэш сбрасывается через cache_clear().

Про потоки: проверка if cls not in instances сама по себе не атомарна ни в одном варианте. Если создание дорогое и может идти из нескольких потоков, её оборачивают в threading.Lock с двойной проверкой. Модульный вариант безопасен, потому что импорт модуля защищён блокировкой.

Где спотыкаются

Забывают про повторный __init__ в варианте с __new__: объект один, но его поля сбрасываются при каждом «создании».

Называют метакласс гарантией единственности. Без блокировки два потока всё так же могут создать два экземпляра, а в multiprocessing у каждого процесса синглтон свой.

Не видят проблемы для тестов: глобальное состояние протекает из теста в тест. Ответ сильнее, если добавить, что зависимость часто лучше передать явно, например через Depends в FastAPI, а синглтоном оставить то, что правда должно существовать в одном экземпляре, вроде пула соединений.