单例模式 (Singleton)

简介

单例模式在面向对象中是一个常见、简单的模式。
英文名称：Singleton Pattern
该模式规定一个类只允许有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。因此该模式的要点有：

• 只有一个实例
• 必须自行创建
• 必须自行向整个系统提供这个实例

意图

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决

避免一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用

当您想控制实例数目，节省系统资源的时候；或者系统不允许存在多实例的时候。

如何实现

判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

优缺点

• 优点
  • 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。
  • 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
• 缺点
  • 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

饿汉式和懒汉式单例

根据实例化的时机，单例模式一般分成饿汉式和懒汉式。

• 饿汉式：在定义实例时直接实例化，var Instance = new(singleton)
• 懒汉式：在实例化方法中进行实例化，

那两者有什么区别或优缺点？

• 饿汉式单例类：在自己被加载时就将自己实例化。即便加载器是静态的，饿汉式单例类被加载时仍会将自己实例化。单从资源利用率角度讲，这个比懒汉式单例类稍差些。从速度和反应时间角度讲，则比懒汉式单例类稍好些。
• 懒汉式单例类：在实例化时，必须处理好在多个线程同时首次引用此类时的访问限制问题，特别是当单例类作为资源控制器在实例化时必须涉及资源初始化，而资源初始化很有可能耗费时间。这意味着出现多线程同时首次引用此类的几率变得较大。

代码实现

以计数器为例子，看看Go语言中如何实现单例模式

饿汉式

// 饿汉式单例模式
package singleton
type singleton struct {
    count int
}
var Instance = new(singleton)
func (s *singleton) Add() int {
    s.count++
    return s.count
}
// 使用，在其他包中可以直接调用 Instance 的 Add 方法
c := singleton.Instance.Add()

• 有且只提供一个实例变量 Instance
• 自行创建
• Instance 是个全局的、面向整个系统的实例

懒汉式

// 懒汉式单例模式
package singleton
import "sync"
type singleton struct {
    count int
}
var (
    instance *singleton
    mutex    sync.Mutex
)
func (s *singleton) Add() int {
    s.count++
    return s.count
}
// 普通实例化方法
func New1() *singleton {
    mutex.Lock()
    defer mutex.Unlock()
    if instance == nil {
        instance = new(singleton)
    }
    return instance
}
// 双重检查实现
func New2() *singleton {
    if instance == nil {         // 第一次检查（①）
        // 这里可能有多于一个 goroutine 同时达到（②）
        mutex.Lock()
        // 这里每个时刻只会有一个 goroutine（③）
        if instance == nil {     // 第二次检查（④）
            instance = new(singleton)
        }
        mutex.Unlock()
    }
    return instance
}
// sync.Once 实现
var once sync.Once
func New3() *singleton {
    once.Do(func() {
        instance = new(singleton)
    })
    return instance
}

• 包级变量变成非导出（instance），注意这里类型应该用指针，因为结构体的默认值不是 nil
• 提供了实例化函数，按照 Go 的惯例，命名为 New()
• 多 goroutine 保护，Go 使用 sync.Mutex

此外，Go语言中还有一些其他“黑魔法”，比如利用 init 函数来初始化唯一的单例。不过一般都不太建议，还是常规方式来。

使用场景

在 Go 语言中，一般推荐优先考虑使用饿汉式。但如果初始化比较耗时，懒汉式延迟初始化是更好的选择。
在 Go 语言中，如下两个场景比较适合使用单例模式：

• 数据库实例：只想创建一个 DB 对象实例，该实例在整个应用程序中使用。
• 日志实例：同样，只创建一个 Logger 的实例，并且在整个应用程序中使用它。

参考文章

• Go 和 Java 对比学习：单例模式
• 单例模式｜菜鸟教程