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Go?常見設(shè)計(jì)模式之單例模式詳解

更新時(shí)間：2023年07月06日 10:23:26 作者：江湖十年

單例模式是設(shè)計(jì)模式中最簡(jiǎn)單的一種模式，單例模式能夠確保無論對(duì)象被實(shí)例化多少次，全局都只有一個(gè)實(shí)例存在，在Go?語言有多種方式可以實(shí)現(xiàn)單例模式，所以我們今天就來一起學(xué)習(xí)下吧

餓漢式

餓漢式實(shí)現(xiàn)單例模式非常簡(jiǎn)單，直接看代碼：

package singleton
type singleton struct{}
var instance = &singleton{}
func GetSingleton() *singleton {
	return instance
}

singleton 包在被導(dǎo)入時(shí)會(huì)自動(dòng)初始化 instance 實(shí)例，使用時(shí)通過調(diào)用 singleton.GetSingleton() 函數(shù)即可獲得 singleton 這個(gè)結(jié)構(gòu)體的單例對(duì)象。

由于單例對(duì)象是在包加載時(shí)立即被創(chuàng)建出來，所以也就有了這個(gè)形象的名稱叫作餓漢式。與之對(duì)應(yīng)的另一種實(shí)現(xiàn)方式叫作懶漢式，當(dāng)實(shí)例被第一次使用時(shí)才會(huì)被創(chuàng)建。

需要注意的是，盡管餓漢式實(shí)現(xiàn)單例模式如此簡(jiǎn)單，但大多數(shù)情況下仍不被推薦使用，因?yàn)槿绻麊卫龑?shí)例化時(shí)初始化內(nèi)容過多，可能造成程序加載用時(shí)較長(zhǎng)。

懶漢式

接下來我們?cè)賮砜聪氯绾瓮ㄟ^懶漢式實(shí)現(xiàn)單例模式：

package singleton
type singleton struct{}
var instance *singleton
func GetSingleton() *singleton {
	if instance == nil {
		instance = &singleton{}
	}
	return instance
}

相較于餓漢式的實(shí)現(xiàn)，我們把實(shí)例化 singleton 結(jié)構(gòu)體部分的代碼移到了 GetSingleton() 函數(shù)內(nèi)部。這樣一來，就將對(duì)象實(shí)例化的步驟延遲到了 GetSingleton() 被第一次調(diào)用時(shí)。

通過 instance == nil 的判斷來實(shí)現(xiàn)單例并不十分可靠，當(dāng)有多個(gè) goroutine 同時(shí)調(diào)用 GetSingleton() 時(shí)無法保證并發(fā)安全。

支持并發(fā)的單例

如果你用 Go 語言寫過并發(fā)編程，那么應(yīng)該可以很快想到解決懶漢式單例模式并發(fā)安全問題的方案：

package singleton
import "sync"
type singleton struct{}
var instance *singleton
var mu sync.Mutex
func GetSingleton() *singleton {
	mu.Lock()
	defer mu.Unlock()
	if instance == nil {
		instance = &singleton{}
	}
	return instance
}

我們對(duì)代碼的主要修改就是在 GetSingleton() 函數(shù)最開始加了如下兩行代碼：

mu.Lock()
defer mu.Unlock()

通過加鎖的機(jī)制，就可以保證這個(gè)實(shí)現(xiàn)單例模式的函數(shù)是并發(fā)安全的。

不過這樣也有些問題，因?yàn)橛昧随i機(jī)制，每次調(diào)用 GetSingleton() 時(shí)程序都會(huì)進(jìn)行加鎖、解鎖的步驟，這樣會(huì)導(dǎo)致程序性能的下降。

雙重鎖定

加鎖導(dǎo)致程序性能下降，但我們又不得不用鎖來保證程序的并發(fā)安全，于是有人想出了雙重鎖定（Double-Check Locking）的方案：

package singleton
import "sync"
type singleton struct{}
var instance *singleton
var mu sync.Mutex
func GetSingleton() *singleton {
	if instance == nil {
		mu.Lock()
		defer mu.Unlock()
		if instance == nil {
			instance = &singleton{}
		}
	}
	return instance
}

可以看到，所謂的雙重鎖定實(shí)際上就是在程序加鎖前又加了一層 instance == nil 判斷，這樣就兼顧了性能和安全兩個(gè)方面。

不過這段代碼看起來有些奇怪，既然外層已經(jīng)判斷了 instance == nil，加鎖后卻又進(jìn)行了第二次 instance == nil 判斷。其實(shí)外層的 instance == nil 判斷是為了提高程序的執(zhí)行效率，因?yàn)槿绻?instance 已經(jīng)存在，則無需進(jìn)入 if 邏輯，程序直接返回 instance 即可。這樣就免去了原來每次調(diào)用 GetSingleton() 都上鎖的操作，將加鎖的粒度更加精細(xì)化。而內(nèi)層的 instance == nil 判斷則是考慮了并發(fā)安全，在極端情況下，多個(gè) goroutine 同時(shí)走到了加鎖這一步，內(nèi)層判斷就起到作用了。

Gopher 慣用方案

雖然我們通過雙重鎖定機(jī)制兼顧和性能和并發(fā)安全，但代碼有些丑陋，不符合廣大 Gopher 的期待。好在 Go 語言在 sync 包中提供了 Once 機(jī)制能夠幫助我們寫出更加優(yōu)雅的代碼：

package singleton
import "sync"
type singleton struct{}
var instance *singleton
var once sync.Once
func GetSingleton() *singleton {
	once.Do(func() {
		instance = &singleton{}
	})
	return instance
}

Once 是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，在執(zhí)行 Do 方法的內(nèi)部通過 atomic 操作和加鎖機(jī)制來保證并發(fā)安全，且 once.Do 能夠保證多個(gè) goroutine 同時(shí)執(zhí)行時(shí) &singleton{} 只被創(chuàng)建一次。

其實(shí) Once 并不神秘，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)跟上面使用的雙重鎖定機(jī)制非常類似，只不過把 instance == nil 換成了 atomic 操作，感興趣的同學(xué)可以查看下其對(duì)應(yīng)源碼。