GoLang设计模式04 - 单例模式

单例模式恐怕是最为人熟知的一种设计模式了。它同样也是创建型模式的一种。当某个struct只允许有一个实例的时候，我们会用到这种设计模式。这个struct的唯一的实例被称为单例对象。下面是需要创建单例对象的一些场景：

• 数据库实例：一般在开发中，对于一个应用，我们通常只需要一个数据库对象实例
• 日志实例：同样，对于一个应用来说，日志操作对象也只需要一个实例

单例对象通常在struct初始化的时候创建。通常，如果某个struct只需要创建一个实例的时候，会为其定义一个getInstance()方法，创建的单例实例会通过这个方法返回给调用者。

因为Go语言中有goroutines，它会给单例模式的应用带来一些麻烦。我们在构建单例模式的时候必须要考虑到在多个goroutines访问struct的getInstance()方法的时候应该返回相同的实例。下面的代码演示了如何正确的创建一个单例对象：

var lock = &sync.Mutex{}

type single struct {
}

var singleInstance *single

func getInstance() *single {
    if singleInstance == nil {
        lock.Lock()
        defer lock.Unlock()
        if singleInstance == nil {
            fmt.Println("Creting Single Instance Now")
            singleInstance = &single{}
        } else {
            fmt.Println("Single Instance already created-1")
        }
    } else {
        fmt.Println("Single Instance already created-2")
    }
    return singleInstance
}

以上的代码保证了single struct只会有一个实例。代码中有几处可以注意下：

1. 在getInstance()方法的起始处首先检查了下singleInstance是否为nil。这样每次调用getInstance()方法的时候可以避免执行“锁”操作。因为“锁”相关的操作比较耗资源，会影响性能，因此越少调用越好。
2. singleInstance对象在“锁”作用区间内创建，可以避免goroutines的影响。
3. 在获取到“锁”资源后，程序中又一次校验了singleInstance对象是否为空。这是因为可能会有多个goroutines通过第一次校验，二次校验可以保证只有一个goroutine创建单例，不然每个goroutine都有可能会创建一个single struct实例。

完整代码在这里：

single.go

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var lock = &sync.Mutex{}

type single struct {
}

var singleInstance *single

func GetInstance() *single {
	if singleInstance == nil {
		lock.Lock()
		defer lock.Unlock()
		if singleInstance == nil {
			fmt.Println("Creating Single Instance Now")
			singleInstance = &single{}
		} else {
			fmt.Println("Single Instance already created-1")
		}
	} else {
		fmt.Println("Single Instance already created-2")
	}
	return singleInstance
}

　　main.go

import (
	"fmt"
)

func main() {
	for i := 0; i < 100; i++ {
		go GetInstance()
	}
	// Scanln is similar to Scan, but stops scanning at a newline and
	// after the final item there must be a newline or EOF.
	fmt.Scanln()
}

　　输出内容：

Creating Single Instance Now
Single Instance already created-1
Single Instance already created-2
Single Instance already created-1
Single Instance already created-1
Single Instance already created-1
Single Instance already created-1
Single Instance already created-1
Single Instance already created-1
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
...

简单说明下：

• 输出内容中只有一行“Creating Single Instance Now”这样的输出，这说明只有一个goroutine能够创建一个singlestruct的实例。
• 输出内容中有多行“Single Instance already created-1”，说明有多个goroutines通过第一次检查singleInstance对象是否为空的校验，它本来都有机会创建单例。
• 最后输出的都是“Single Instance already created-2”，意味着单例已创建完成，之后的goroutines都无法再通过首次校验。

除了锁+二次校验的方式，还有其它创建单例的方法，我们来看一下：

基于init()函数

在init()函数中创建单例。因为一个包中每个文件的init()函数都只会调用一次，这样就可以保证只有一个实例会被创建。看下代码：

import (
	"fmt"
	"log"
)

type single struct {
}

var singleInstance *single

func init() {
	fmt.Println("Creating Single Instance Now")
	singleInstance = &single{}
}

func GetInstance() *single {
	if singleInstance == nil {
		log.Fatal("Single Instance is nil")
	} else {
		fmt.Println("Single Instance already created-2")
	}
	return singleInstance
}

这应该就是go语言中的懒汉式单例创建方法了。如果不介意过早创建实例造成的资源占用，推荐使用这种方法创建单例。

通过sync.Once

sync.Once中的代码会被保证只执行一次，这完全可以用来创建单例。代码如下：

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var once sync.Once

type single struct {
}

var singleInstance *single

func GetInstance() *single {
	if singleInstance == nil {
		once.Do(
			func() {
				fmt.Println("Creating Single Instance Now")
				singleInstance = &single{}
			})
		fmt.Println("Single Instance already created-1")
	} else {
		fmt.Println("Single Instance already created-2")
	}
	return singleInstance
}

相比二次校验的方式，这里的代码可以说非常简洁了。这也是我非常建议使用的一种单例创建方式。

输出内容为：

Creating Single Instance Now
Single Instance already created-1
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
Single Instance already created-1
Single Instance already created-2
Single Instance already created-1
Single Instance already created-1
Single Instance already created-2
Single Instance already created-1
Single Instance already created-2
Single Instance already created-1
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
Single Instance already created-2
...

简单说明下：　

• 输出的内容和二次校验的方式差不多，仍然存在多行“Single Instance already created-1”这样的输出，说明有多个goroutine通过了if校验
• 输出内容中只有一行“Creating Single Instance Now”，说明只有一个goroutine能够创建实例。

代码已上传至GitHub：zhyea / go-patterns / singleton-pattern

End！