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【设计模式】创建型模式之单例模式（饿汉式懒汉式 Golang实现）

article 2024/12/1 1:18:21

定义

一个类只允许创建一个对象或实例，而且自行实例化并向整个系统提供该实例，这个类就是一个单例类，它提供全局访问的方法。这种设计模式叫单例设计模式，简称单例模式。

单例模式的要点：

某个类只能有一个实例
必须自行创建该实例
必须自行向整个系统提供该实例

时序图：

用处

从业务概念上来看，有些数据在系统中只应该保留一份，就比较适合设计为单例类。比如，系统的配置信息。

使用场景：

系统只需要一个实例对象，比如唯一的序列号生成器（业务方面），或是考虑到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，除了该公共访问点外，不能通过其他途径访问该实例

优缺点

优点：

提供了对唯一实例的受控访问
因为在系统的内存里只存在一个对象，所以可以节约系统资源，尤其是一些需要频繁创建和销毁的对象
允许可变数目的实例，基于单例模式进行扩展

缺点：

没有抽象层，很难扩展
职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。

单例模式的唯一性

进程间唯一：默认单例模式的唯一性就是基于进程的唯一性。因为编写的代码成为可执行文件后，当运行该可执行文件时，操作系统会启动一个进程，将该可执行文件从磁盘加载到自己的进程地址空间，该进程依次执行文件中的代码，比如代码里有一个创建student对象的语句，进程就会在地址空间里创建一个student对象。如果在一个进程中创建另一个进程，操作系统会给新进程分配新的地址空间，而且将旧地址空间的内容拷贝一份，包括代码和数据，这样新进程里有且只有一个student对象，旧进程里也有且只有一个student，但是这两个对象并不是同一个对象。
线程间唯一：通过获取线程id来实现。但是在golang里主要使用协程，而且协程的id并不会暴露出来。
集群环境间唯一（多进程）：通过外部共享存储的锁进行，如文件。将单例对象序列化后存储到外部共享存储区里（比如文件），进程在使用该单例对象的时候，需要对该单例对象加锁，避免其他进程再获取，然后将该对象加载到内存里，反序列化为单例对象，使用完后还要从内存里删除，再存储回外部共享存储区，并释放锁。

如何实现

构造函数是private访问权限
考虑对象创建时的线程安全问题
考虑是否支持延迟加载
考虑getInstance的性能问题，比如是否有加锁等

实现方式

饿汉式

在类加载的时候实例就已经创建好了，实例的创建过程线程安全，不支持延迟加载

有两种实现方式，第一种是定义全局变量的时候创建实例，第二种是采用包的init函数创建实例

注意这里的Singleton类型也要是大写字母开头的，因为GetInstance方法是大写字母开头，表明包外可访问，那么该方法的返回值也需要包外可访问。

package singleton

// 单例模式 饿汉式实现
type Singleton struct{}

var singleton *Singleton

//1.全局变量的实现方式
//var singleton1 = &Singleton{}
//2. 包的init函数实现方式
func init() {
	singleton = &Singleton{}
}

func GetInstance() *Singleton {
	return singleton
}

懒汉式

在获取实例的时候再去创建，实例创建过程需要加锁，支持延迟加载，不支持高并发

不加锁

只是对懒汉式创建的一个理解，在GetInstnce方法里判断singleton是否为空，为空的话就去创建一个实例，否则直接返回该实例。

存在线程安全问题，高并发的时候会创建多个对象，不推荐使用。

package singleton

// 单例模式 懒汉式实现 不加锁
type Singleton struct{}

var singleton *Singleton

func GetInstance() *Singleton {
	if singleton == nil {
		singleton = &Singleton{}
	}
	return singleton
}

给方法加锁

对GetInstance整个方法进行加锁，确保并发安全，但是每一个对象创建的时候都需要进行加锁解锁，效率低

package singleton

import "sync"

// 单例模式 懒汉式实现 方法锁
type Singleton struct{}

var singleton *Singleton
var mu sync.Mutex

func GetInstance() *Singleton {
	mu.Lock()
	defer mu.Unlock()
	if singleton == nil {
		singleton = &Singleton{}
	}
	return singleton
}

双重检测

在懒汉式的基础上，将方法的锁改为类级别的锁，相对于懒汉式的粒度更小，不用每次都去获取锁

借助sync.Once确保只创建一次

package singleton

import "sync"

// 单例模式 懒汉式实现 双重检测
type LazySingleton struct{}

var lazySingleton *LazySingleton
var once = &sync.Once{}

func GetLazyInstance() *LazySingleton {
	if lazySingleton == nil {
		once.Do(func() {
			lazySingleton = &LazySingleton{}
		})
	}
	return lazySingleton
}

静态内部类

java的静态内部类，线程安全，延迟加载

枚举

java的枚举特性

测试性能

测试饿汉式的init实现方法和懒汉式的sync.Once实现方法

package singleton

import "testing"

func BenchmarkGetInstanceParallel(b *testing.B) {
	b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
		for pb.Next() {
			if GetInstance() != GetInstance() {
				b.Errorf("test fail")
			}
		}
	})
}

func BenchmarkGetLazyInstanceParallel(b *testing.B) {
	b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
		for pb.Next() {
			if GetLazyInstance() != GetLazyInstance() {
				b.Errorf("test fail")
			}
		}
	})
}