Go?常見設計模式之單例模式詳解

更新時間：2023年07月06日 10:23:26 作者：江湖十年

單例模式是設計模式中最簡單的一種模式，單例模式能夠確保無論對象被實例化多少次，全局都只有一個實例存在，在Go?語言有多種方式可以實現(xiàn)單例模式，所以我們今天就來一起學習下吧

餓漢式

餓漢式實現(xiàn)單例模式非常簡單，直接看代碼：

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

singleton 包在被導入時會自動初始化 instance 實例，使用時通過調用 singleton.GetSingleton() 函數即可獲得 singleton 這個結構體的單例對象。

由于單例對象是在包加載時立即被創(chuàng)建出來，所以也就有了這個形象的名稱叫作餓漢式。與之對應的另一種實現(xiàn)方式叫作懶漢式，當實例被第一次使用時才會被創(chuàng)建。

需要注意的是，盡管餓漢式實現(xiàn)單例模式如此簡單，但大多數情況下仍不被推薦使用，因為如果單例實例化時初始化內容過多，可能造成程序加載用時較長。

懶漢式

接下來我們再來看下如何通過懶漢式實現(xiàn)單例模式：

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

相較于餓漢式的實現(xiàn)，我們把實例化 singleton 結構體部分的代碼移到了 GetSingleton() 函數內部。這樣一來，就將對象實例化的步驟延遲到了 GetSingleton() 被第一次調用時。

通過 instance == nil 的判斷來實現(xiàn)單例并不十分可靠，當有多個 goroutine 同時調用 GetSingleton() 時無法保證并發(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
}

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

mu.Lock()
defer mu.Unlock()

通過加鎖的機制，就可以保證這個實現(xiàn)單例模式的函數是并發(fā)安全的。

不過這樣也有些問題，因為用了鎖機制，每次調用 GetSingleton() 時程序都會進行加鎖、解鎖的步驟，這樣會導致程序性能的下降。

雙重鎖定

加鎖導致程序性能下降，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方面。

不過這段代碼看起來有些奇怪，既然外層已經判斷了 instance == nil，加鎖后卻又進行了第二次 instance == nil 判斷。其實外層的 instance == nil 判斷是為了提高程序的執(zhí)行效率，因為如果 instance 已經存在，則無需進入 if 邏輯，程序直接返回 instance 即可。這樣就免去了原來每次調用 GetSingleton() 都上鎖的操作，將加鎖的粒度更加精細化。而內層的 instance == nil 判斷則是考慮了并發(fā)安全，在極端情況下，多個 goroutine 同時走到了加鎖這一步，內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 是一個結構體，在執(zhí)行 Do 方法的內部通過 atomic 操作和加鎖機制來保證并發(fā)安全，且 once.Do 能夠保證多個 goroutine 同時執(zhí)行時 &singleton{} 只被創(chuàng)建一次。

其實 Once 并不神秘，其內部實現(xiàn)跟上面使用的雙重鎖定機制非常類似，只不過把 instance == nil 換成了 atomic 操作，感興趣的同學可以查看下其對應源碼。