之前我們已經(jīng)看過了 Golang 常見設(shè)計(jì)模式中的裝飾和選項(xiàng)模式，今天要看的是 Golang 設(shè)計(jì)模式里最簡(jiǎn)單的單例模式。單例模式的作用是確保無論對(duì)象被實(shí)例化多少次，全局都只有一個(gè)實(shí)例存在。根據(jù)這一特性，我們可以將其應(yīng)用到全局唯一性配置、數(shù)據(jù)庫連接對(duì)象、文件訪問對(duì)象等。Go 語言實(shí)現(xiàn)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(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。

這種方式的單例對(duì)象是在包加載時(shí)立即被創(chuàng)建，所以這個(gè)方式叫作餓漢式。與之對(duì)應(yīng)的另一種實(shí)現(xiàn)方式叫作懶漢式，懶漢式模式下實(shí)例會(huì)在第一次被使用時(shí)被創(chuàng)建。

需要注意的是，盡管餓漢式實(shí)現(xiàn)單例模式的方式簡(jiǎn)單，但大多數(shù)情況下并不推薦。因?yàn)槿绻麊卫龑?shí)例化時(shí)初始化內(nèi)容過多，會(huì)造成程序加載用時(shí)較長。

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)，懶漢式將實(shí)例化 singleton 結(jié)構(gòu)體部分的代碼移到了 GetSingleton () 函數(shù)內(nèi)部。這樣能夠?qū)?duì)象實(shí)例化的步驟延遲到 GetSingleton () 第一次被調(diào)用時(shí)。

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

支持并發(fā)的單例

如果你使用 Go 語言寫過并發(fā)編程，應(yīng)該很快能想到該如何解決懶漢式單例模式并發(fā)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
}

上面代碼的修改是通過加鎖機(jī)制，即在 GetSingleton () 函數(shù)最開始加了如下兩行代碼：

mu.Lock()
defer mu.Unlock()

加鎖的機(jī)制可以有效保證這個(gè)實(shí)現(xiàn)單例模式的函數(shù)是并發(fā)安全的。

不過使用了鎖機(jī)制也帶來了一些問題，這讓每次調(diào)用 GetSingleton () 時(shí)程序都會(huì)進(jìn)行加鎖、解鎖的步驟，從而導(dǎo)致程序性能的下降。

雙重鎖定

加鎖會(huì)導(dǎo)致程序性能下降，但又不用鎖又無法保證程序的并發(fā)安全。為了解決這個(gè)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(shí)際上就是在程序加鎖前又加了一層 instance == nil 判斷，通過這種方式來兼顧性能和安全兩個(gè)方面。不過這讓代碼看起來有些奇怪，外層已經(jīng)判斷了 instance == nil，但是加鎖后又進(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，免去原來每次調(diào)用 GetSingleton () 都上鎖的操作，將加鎖的粒度更加精細(xì)化。簡(jiǎn)單說就是如果 instance 已經(jīng)存在，則無需進(jìn)入 if 邏輯，程序直接返回 instance 即可。而內(nèi)層的 instance == nil 判斷則考慮了并發(fā)安全，考慮到萬一在極端情況下，多個(gè) goroutine 同時(shí)走到了加鎖這一步，內(nèi)層判斷會(huì)在這里起到作用。

Gopher 慣用方案

雖然雙重鎖定機(jī)制兼顧和性能和并發(fā)安全，但顯然代碼有些丑陋，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。

總結(jié)

以上就是 Go 語言中實(shí)現(xiàn)單例模式的幾種常用套路，經(jīng)過對(duì)比可以得出結(jié)論，最推薦的方式是使用 once.Do 來實(shí)現(xiàn)，sync.Once 包幫我們隱藏了部分細(xì)節(jié)，卻可以讓代碼可讀性得到很大提升。