[Design Pattern With Go]设计模式-单例模式
定义
一个类只允许创建一个对象(或者实例),那这个类就是一个单例类,这种设计模式就叫作单例模式。当某些数据只需要在系统中保留一份的时候,可以选择使用单例模式。
饿汉式
饿汉式的实现方式比较简单。在类加载的时候,静态实例就已经创建并初始化好了,所以,实例的创建过程是线程安全的。如果实例占用资源多,按照 fail-fast 的设计原则(有问题及早暴露),那我们也希望在程序启动时就将这个实例初始化好。如果资源不够,就会在程序启动的时候触发报错,我们可以立即去修复。这样也能避免在程序运行一段时间后,突然因为初始化这个实例占用资源过多,导致系统崩溃,影响系统的可用性。
下面是一个典型的饿汉式单例模式:
package singleton
import "sync/atomic"
type HungrySingleton struct {
data uint64
}
var hungry = &HungrySingleton{}
func HungrySingletonInstance() *HungrySingleton {
return hungry
}
懒汉式
懒汉式单例模式可以延迟加载类实例,如果想要在使用类实例的时候再创建,可以采用这种方式来实现单例模式。不过如果类实例初始化时间比较长,可能会对效率有一定的影响。
package singleton
import (
"sync"
"sync/atomic"
)
type LazySingleton struct {
data uint64
}
var lazySingleton *LazySingleton
var lock sync.Mutex
func init() {
lock = sync.Mutex{}
}
func LazySingletonInstance() *LazySingleton {
lock.Lock()
defer lock.Unlock()
if lazySingleton == nil {
lazySingleton = &LazySingleton{}
}
return lazySingleton
}
双重检测懒汉式
上面面这种实现方式比较简单粗暴,每次获取实例的时候都需要加锁,这会大大增加时间开销,效率十分低下。我们可以改进下,创建实例的时候,先判断实例是否已经创建,如果没有创建再进入创建流程,这样会减少等锁的次数,增加效率。
package singleton
import "sync"
type LockCheckLazySingleton struct {
data int64
}
var ll sync.Mutex
var lcSingleton *LockCheckLazySingleton
func init() {
ll = sync.Mutex{}
}
func LockCheckLazySingletonInstance() *LockCheckLazySingleton {
if lcSingleton == nil {
ll.Lock()
defer ll.Unlock()
if lcSingleton == nil {
lcSingleton = &LockCheckLazySingleton{}
}
}
return lcSingleton
}
在 golang 中,我们可以使用 sync.Once 来简化判断流程:
package singleton
import (
"sync"
"sync/atomic"
)
type CheckLazySingleton struct {
data uint64
}
var checkLazySingleton *CheckLazySingleton
var checkOnce = sync.Once{}
func CheckLazySingletonInstance() *CheckLazySingleton {
if checkLazySingleton == nil {
checkOnce.Do(func() {
checkLazySingleton = &CheckLazySingleton{}
})
}
return checkLazySingleton
}
sync.Once 使用原子操作来模拟锁的效果,来判断实例是否已经创建,和 LockCheckLazySingleton 中直接判断实例相比,并没有太多的性能开销,反而还可以避免并发时更多的运行实例进入等锁的状态,这种方式理论上效率会比上面那种方式更高一点。
性能测试
我们可以编写一个 benchmark 测试一下这几种单例模式实现方式的效率怎么样:
func BenchmarkHungrySingletonInstance(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
if singleton.HungrySingletonInstance() != singleton.HungrySingletonInstance() {
b.Errorf("different instance")
}
}
})
}
func BenchmarkLazySingletonInstance(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
if singleton.LazySingletonInstance() != singleton.LazySingletonInstance() {
b.Errorf("different instance")
}
}
})
}
func BenchmarkLockCheckLazySingletonInstance(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
if singleton.LockCheckLazySingletonInstance() != singleton.LockCheckLazySingletonInstance() {
b.Errorf("different instance")
}
}
})
}
func BenchmarkCheckLazySingletonInstance(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
if singleton.CheckLazySingletonInstance() != singleton.CheckLazySingletonInstance() {
b.Errorf("different instance")
}
}
})
}
输出结果如下所示:
D:\git\design-pattern\singleton>go test -bench=.
goos: windows
goarch: amd64
pkg: design-pattern/singleton
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz
BenchmarkHungrySingletonInstance-4 1000000000 0.5729 ns/op
BenchmarkLazySingletonInstance-4 17065185 71.58 ns/op
BenchmarkLockCheckLazySingletonInstance-4 377396236 2.878 ns/op
BenchmarkCheckLazySingletonInstance-4 536262001 2.330 ns/op
PASS
ok design-pattern/singleton 4.733s
我们可以看到,饿汉模式的效率是最高的,因为它的实例是在程序启动的时候就已经初始化好了,调用实例的过程省去了很多判断的过程。而直接加锁的懒汉模式是效率最低的,锁的开销是十分大的,实际使用中,如果有需要使用懒汉式的单例模式,也不推荐这种实现方式。后面两种优化的懒汉模式中,使用 once 的效率会更高一点,这种实现方式更加值得推荐。
单例模式的问题及替代方案
单例模式的问题
- 单例对 OOP 特性(封装、继承、多态、抽象)的支持不友好。单例模式违反了基于接口而非实现的设计原则。
- 单例会隐藏类之间的依赖关系。单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递,在代码比较复杂的情况下,调用关系就会非常隐蔽。
- 单例对代码的扩展性不友好,在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。
- 单例对代码的可测试性不友好。单例类持有的变量通常是全局变量,被所有的代码共享,这不方便编写单元测试。
- 单例不支持有参数的构造函数,因为单例类的对象只初始化一次,即使构造函数有参数也只接收第一次的参数。
替代方案
可以通过工厂模式、IOC容器(JAVA)等方式
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