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单例模式
GoF 给出的单例模式的定义：
保证一个类，只有一个实例存在，同时提供能对该实例加以访问的全局访问方法。
其实提到单例模式，只要我们接触过 Web 项目的学习，大概率都会和数据库/Redis 缓存打交道，此时我们就很有可能需要在 main 函数当中初始化一个与数据库对象交互的实例，它通常是一个线程安全的指针，这就是单例模式的一个典型应用，即：提供一个可供客户端使用的唯一对象，该对象仅提供对外操作的接口，并隐藏了初始化等其他细节，该对象应该保证线程安全，实现幂等性。
单例模式中的角色职责
Singleton（单例）：单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的getInstance()工厂方法，这是客户端可以访问该类的唯一实例。为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为私有。在单例类内部定义了一个 Singleton 类型的静态对象，作为外部共享的唯一实例。
一个单例模式的 Demo 如下述代码段所示：
package main
import "fmt"
/*
1. 对于单例模式的类而言, 只能有一个实例
2. 必须自行创建这个实例
3. 必须向整个系统提供这个实例
与数据库交互的对象就是典型的单例模式实例
*/
// 1. 保证这个类非公有化, 外界不能通过这个类直接创建对象
// 因此这个类的定义应该是非导出的(首字母非大写)
type singleton struct {}
// 2. 需要有一个指针指向这个唯一的对象, 且这个指针不能改变引用对象
// Golang 中没有常量指针的概念, 所以只能通过将指针私有化来避免外部模块访问
var instance *singleton = new(singleton)
// 3. 必须向整个系统提供这个实例, 通过函数来完成
func GetInstance() *singleton {
return instance
}
func (s *singleton) SomeThing() {
fmt.Println("A singleton Method")
}
func main() {
s := GetInstance() // 获取指针
s.SomeThing()
}
《Easy 搞定 Golang 设计模式》中将上述方法命名为“饿汉式”的单例模式，原因是上述代码在初始化单例的唯一指针时，就为其开辟好了一个对象，不会出现线程并发创建，导致多个单例出现，这种模式的缺点也很明显，那就是即使这个对象在业务当中没有使用，也会客观创建一块内存。与之相对的模式是“懒汉式”，即“懒创建”，只有在第一次调用GetInstance()时才会创建实例：
/*... ... ...*/
func GetInstance() *singleton {
if instance == nil {
instance = new(singleton)
return instance
}
return instance
}
/*... ... ...*/
线程安全的单例模式
上面的“懒汉式”单例调用仍然不是线程安全的设计方式，如果多个线程或协程同时首次调用GetInstance()方法导致多个实例创建，则违背了单例的设计初衷。我们可以使用 Golang 自带的 Mutex，为“懒汉式”单例的创建加锁，从而保证线程安全。
线程安全最大的缺点在于每次调用都需要加锁，在性能上不够高效，具体的实现如下：
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
var lock sync.Mutex
type singleton struct{}
var instance *singleton
func GetInstance() *singleton {
lock.Lock()
defer lock.Unlock()
if instance == nil {
return new(singleton)
} else {
return instance
}
}
func (s *singleton) SomeThing() {
fmt.Println("SomeThing is called")
}
func main() {
s := GetInstance()
s.SomeThing()
}
可以借助sync/atomic来进行内存的状态存留做到互斥。atomic可以自动加载和设置标记，代码如下：
package main
import (
"fmt"
"sync"
"sync/atomic"
)
var initialized uint32
var lock sync.Mutex
type singleton struct{}
var instance *singleton
func GetInstance() *singleton {
if atomic.LoadUint32(&initialized) == 1 {
return instance
}
lock.Lock()
defer lock.Unlock()
if initialized == 0 {
instance = &singleton{}
atomic.StoreUint32(&initialized, 1)
}
return instance
}
func (s *singleton) SomeThing() {
fmt.Println("Something has been called")
}
func main() {
s := GetInstance()
s.SomeThing()
}
针对上述逻辑，Golang 已经使用Once模块进行了优化：
func (o *Once) Do(f func()) {
if atomic.LoadUint32(&o.done) == 1 {
return
}
o.m.Lock()
defer o.m.Unlock()
if o.done == 0 {
defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
f()
}
}
使用Once来实现单例模式：
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
var once sync.Once
type singleton struct{}
var instance *singleton
func GetInstance() *singleton {
once.Do(func() {
instance = new(singleton)
})
return instance
}
func (s *singleton) SomeThing() {
fmt.Println("Something has been called")
}
func main() {
s := GetInstance()
s.SomeThing()
}
单例模式的优缺点
优点：
- 单例模式提供了对唯一实例的受控访问；
- 节约系统资源。在系统内存中只存在一个对象。
缺点：
- 拓展略难，单例模式中没有抽象层；
- 单例类的职责过重。
适用场景
- 系统只需要一个实例对象，如系统提供一个唯一的序列号生成器（比如 Snowflake 算法）或资源管理器，或需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
- 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。