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 設計模式里最簡單的單例模式。單例模式的作用是確保無論對象被實例化多少次,全局都只有一個實例存在。根據這一特性,我們可以將其應用到全局唯一性配置、資料庫連接對象、文件訪問對象等。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。

這種方式的單例對象是在包載入時立即被創建,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,懶漢式模式下實例會在第一次被使用時被創建。

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。因為如果單例實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,懶漢式將實例化 singleton 結構體部分的程式碼移到了 GetSingleton() 函數內部。這樣能夠將對象實例化的步驟延遲到 GetSingleton() 第一次被調用時。

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 同時調用 GetSingleton() 就無法保證並發安全。

支援並發的單例

如果你使用 Go 語言寫過並發編程,應該很快能想到該如何解決懶漢式單例模式並發安全問題,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發安全的。

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

雙重鎖定

加鎖會導致程式性能下降,但又不用鎖又無法保證程式的並發安全。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性能和安全兩個方面。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,免去原來每次調用 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 判斷則考慮了並發安全,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性能和並發安全,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發安全,且 once.Do 能夠保證多個 goroutine 同時執行時 &singleton{} 只被創建一次。

其實 Once 並不神秘,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,感興趣的同學可以查看下其對應源碼。

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。

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