Golang 常見設計模式之單例模式

之前我們已經看過了 Golang 常見設計模式中的裝飾和選項模式，今天要看的是 Golang 設計模式裡最簡單的單例模式。單例模式的作用是確保無論物件被範例化多少次，全域性都只有一個範例存在。根據這一特性，我們可以將其應用到全域性唯一性設定、資料庫連線物件、檔案存取物件等。Go 語言實現單例模式的方法有很多種，下面我們就一起來看一下。

餓漢式

餓漢式實現單例模式非常簡單，直接看程式碼：

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

singleton 包在被匯入時會自動初始化 instance 範例，使用時通過呼叫 singleton.GetSingleton() 函數即可獲得 singleton 這個結構體的單例物件。

這種方式的單例物件是在包載入時立即被建立，所以這個方式叫作餓漢式。與之對應的另一種實現方式叫作懶漢式，懶漢式模式下範例會在第一次被使用時被建立。

需要注意的是，儘管餓漢式實現單例模式的方式簡單，但大多數情況下並不推薦。因為如果單例範例化時初始化內容過多，會造成程式載入用時較長。

懶漢式

接下來我們再來看下如何通過懶漢式實現單例模式：

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

相較於餓漢式的實現，懶漢式將範例化 singleton 結構體部分的程式碼移到了 GetSingleton() 函數內部。這樣能夠將物件範例化的步驟延遲到 GetSingleton() 第一次被呼叫時。

不過通過 instance == nil 的判斷來實現單例並不十分可靠，如果有多個 goroutine 同時呼叫 GetSingleton() 就無法保證並行安全。

支援並行的單例

如果你使用 Go 語言寫過並行程式設計，應該很快能想到該如何解決懶漢式單例模式並行安全問題，比如像下面這樣：

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
}

上面程式碼的修改是通過加鎖機制，即在 GetSingleton() 函數最開始加了如下兩行程式碼：

mu.Lock()
defer mu.Unlock()

加鎖的機制可以有效保證這個實現單例模式的函數是並行安全的。

不過使用了鎖機制也帶來了一些問題，這讓每次呼叫 GetSingleton() 時程式都會進行加鎖、解鎖的步驟，從而導致程式效能的下降。

雙重鎖定

加鎖會導致程式效能下降，但又不用鎖又無法保證程式的並行安全。為了解決這個問題有人提出了雙重鎖定（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
}

通過上面的可以看到，所謂雙重鎖定實際上就是在程式加鎖前又加了一層 instance == nil 判斷，通過這種方式來兼顧效能和安全兩個方面。不過這讓程式碼看起來有些奇怪，外層已經判斷了 instance == nil，但是加鎖後又進行了第二次 instance == nil 判斷。

其實外層的 instance == nil 判斷是為了提高程式的執行效率，免去原來每次呼叫 GetSingleton() 都上鎖的操作，將加鎖的粒度更加精細化。簡單說就是如果 instance 已經存在，則無需進入 if 邏輯，程式直接返回 instance 即可。而內層的 instance == nil 判斷則考慮了並行安全，考慮到萬一在極端情況下，多個 goroutine 同時走到了加鎖這一步，內層判斷會在這裡起到作用。

Gopher 慣用方案

雖然雙重鎖定機制兼顧和效能和並行安全，但顯然程式碼有些醜陋，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雅的程式碼：

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，在執行 Do 方法的內部通過 atomic 操作和加鎖機制來保證並行安全，且 once.Do 能夠保證多個 goroutine 同時執行時 &singleton{} 只被建立一次。

其實 Once 並不神祕，其內部實現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，感興趣的同學可以檢視下其對應原始碼。

總結

以上就是 Go 語言中實現單例模式的幾種常用套路，經過對比可以得出結論，最推薦的方式是使用 once.Do 來實現，sync.Once 包幫我們隱藏了部分細節，卻可以讓程式碼可讀性得到很大提升。

Golang 常見設計模式之單例模式

餓漢式

懶漢式

支援並行的單例

雙重鎖定

Gopher 慣用方案

總結

推薦閱讀