Go 和 Java 对比学习：单例模式

Posted 2021-03-30 polarisxu

Java 是较典型的面向对象语言。如果说 C++ 是设计模式的发源地（GoF 的书使用 C++ 描述的），那么 Java 将设计模式发扬光大。设计模式，很多人可能工作中没有用到，因为大部分人停留在写面条式的业务代码，从头撸到尾，没有设计可言。但实际上，只要你用心思考，这样的场景下也是很有可能用上设计模式的。特别是，当系统复杂时，设计模式的作用会很明显。

虽然 Go 语言并非完全的面向对象语言，只提供了部分面向对象的特性，但一些设计模式还是可以使用的。这个系列尝试讲解在 Go 中使用设计模式，同时给出 Java 对应的版本，进行对比学习。另外，我们的设计模式不会局限在 GoF 的 23 中设计模式之中。

在开始设计模式之前，有必要提一下面向对象的 SOLID 5 大设计原则：

名称	缩写	含义
The Single Responsibility Principle（单一职责）	S	对象应该具有单一的职责。这也是 Unix 的设计哲学
The Open/Closed Principle（开/闭原则）	O	对扩展开发，对修改关闭
The Liskov Substitution Principle（里氏替换）	L	对象应该可以在不破坏系统的情况下被子对象替换
The Interface Segregation Principle（接口隔离）	I	不应强迫任何客户端依赖其不使用的方法
The Dependency Inversion Principle（依赖倒转）	D	高级模块不应依赖于低级实现

遵循这样的设计原则，你的系统会更好维护。

除了 SOLID 5 大设计原则，一些书上可能还会提到下面的设计原则：

• 合成/聚合复用原则（Composite/Aggregate Reuse Principle）：尽量使用合成/聚合，而不要使用继承。这也是 Go 语言设计遵循的，基于此，Go 中没有继承。
• 迪米特法则（LoD），又叫 最少知识原则：一个对象应当对其他对象有尽可能少的了解；一个软件实体应当与尽可能少的其他实体发生相互作用。

在你日常的工作中，可以运用以上原则审视你的设计，改进你的设计。

今天先看第一个设计模式。

1、单例模式简介

面向对象中的单例模式是一个常见、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。因此单例模式的要点有：1）只有一个实例；2）必须自行创建；3）必须自行向整个系统提供这个实例。

单例模式主要避免一个全局使用的类频繁地创建与销毁。当你想控制实例的数量，或有时候不允许存在多实例时，单例模式就派上用场了。

先看 Java 中的单例模式。

通过该类图我们可以看出，实现一个单例模式有如下要求：

• 私有、静态的类实例变量；
• 构造函数私有化；
• 静态工厂方法，返回此类的唯一实例；

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 instance 时直接实例化，private static Singleton instance = new Singleton();
• 懒汉式：在 getInstance 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。然而，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。

2、单例模式的 Java 实现

结合上面的讲解，以一个计数器为例，我们看看 Java 中饿汉式的实现：

public class Singleton {
  private static final Singleton instance = new Singleton();
  private int count = 0;
  private Singleton() {}
  public static Singleton getInstance() {
    return instance;
  }
  public int Add() int {
    this.count++;
    return this.count;
  }
}

代码很简单，不过多解释。直接看懒汉式的实现：

public class Singleton {
  private static Singleton instance = null;
  private int count = 0;
  private Singleton() {}
  public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new Singleton();
    }
    return instance;
  }
  public int Add() int {
    this.count++;
    return this.count;
  }
}

主要区别在于 getInstance 的实现，要注意 synchronized ，避免多线程时出现问题。

3、单例模式的 Go 实现

在 Go 语言中如何实现单例模式，类比 Java 代码实现。

// 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
}

前面说了，Go 只支持部分面向对象的特性，因此看起来有点不太一样：

• 类（结构体 singleton）本身非公开（小写字母开头，非导出）;
• 没有提供导出的 GetInstance 工厂方法（Go 没有静态方法），而是直接提供包级导出变量 Instance；

这样使用：

c := singleton.Instance.Add()

看看懒汉式单例模式在 Go 中如何实现：

// 懒汉式单例模式
package singleton

import (
 "sync"
)

type singleton struct {
  count int
}

var (
  instance *singleton
  mutex sync.Mutex
)

func New() *singleton {
  mutex.Lock()
  if instance == nil {
    instance = new(singleton)
  }
  mutex.Unlock()
  
  return instance
}

func (s *singleton) Add() int {
  s.count++
  return s.count
}

代码多了不少：

• 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；
• 提供了工厂方法，按照 Go 的惯例，我们命名为 New()；
• 多 goroutine 保护，对应 Java 的 synchronized，Go 使用 sync.Mutex；

关于懒汉式有一个“双重检查”，这是 C 语言的一种代码模式。

在上面 New() 函数中，同步化（锁保护）实际上只在 instance 变量第一次被赋值之前才有用。在 instance 变量有了值之后，同步化实际上变成了一个不必要的瓶颈。如果能够有一个方法去掉这个小小的额外开销，不是更加完美吗？因此出现了“双重检查”。看看 Go 如何实现“双重检查”，只看 New() 代码：

func New() *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
}

有读者可能看不懂上面代码的意思，这里详细解释下。假设 goroutine X 和 Y 作为第一批调用者同时或几乎同时调用 New 函数。

1. 因为 goroutine X 和 Y 是第一批调用者，因此，当它们进入此函数时，instance 变量是 nil。因此 goroutine X 和 Y 会同时或几乎同时到达位置 ①；
2. 假设 goroutine X 会先达到位置 ②，并进入 mutex.Lock() 达到位置 ③。这时，由于 mutex.Lock 的同步限制，goroutine Y 无法到达位置 ③，而只能在位置 ② 等候；
3. goroutine X 执行 instance = new(singleton) 语句，使得 instance 变量得到一个值，即对 singleton 实例的引用。此时，goroutine Y 只能继续在位置 ② 等候；
4. goroutine X 释放锁，返回 instance，退出 New 函数；
5. goroutine Y 进入 mutex.Lock()，到达位置 ③，进而到达位置 ④。由于 instance 变量已经不是 nil，因此 goroutine Y 释放锁，返回 instance 所引用的 singleton 实例（也就是 goroutine X 锁创建的 singleton 实例），退出 New 函数；

到这里，goroutine X 和 Y 得到了同一个 singleton 实例。可见上面的 New 函数中，锁仅用来避免多个 goroutine 同时实例化 singleton。

相比前面的版本，双重检查版本，只要 instance 实例化后，锁永远不会执行了，而前面版本每次调用 New 获取实例都需要执行锁。性能很显然，我们可以基准测试来验证：（双重检查版本 New 重命名为 New2）

package singleton_test

import (
 "testing"

 "github.com/polaris1119/go-demo/singleton"
)

func BenchmarkNew(b *testing.B) {
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  singleton.New()
 }
}

func BenchmarkNew2(b *testing.B) {
 for i := 0; i < b.N; i++ {
  singleton.New2()
 }
}

因为是单例，所以两个基准测试需要分别执行。

New1 的结果：

$ go test -benchmem -bench ^BenchmarkNew$ github.com/polaris1119/go-demo/singleton
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/polaris1119/go-demo/singleton
BenchmarkNew-8    80470467         14.0 ns/op        0 B/op        0 allocs/op
PASS
ok   github.com/polaris1119/go-demo/singleton 1.151s

New2 的结果：

$ go test -benchmem -bench ^BenchmarkNew2$ github.com/polaris1119/go-demo/singleton
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/polaris1119/go-demo/singleton
BenchmarkNew2-8    658810392          1.80 ns/op        0 B/op        0 allocs/op
PASS
ok   github.com/polaris1119/go-demo/singleton 1.380s

New2 快十几倍。

细心得读者会发现，在 Go 中，饿汉式还有一种更好的实现方式，那就是使用 sync.Once，这是 Go 实现懒汉式更标准的做法。核心代码如下（New3）：

var once sync.Once

func New3() *singleton {
    once.Do(func() {
        instance = new(singleton)
    })

    return instance
}

通过基准测试，它的性能和 New2 差不多。

此外，无论是 Java 还是 Go，都有一些其他“黑魔法”，比如 Go 语言中，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。

Go 语言单例模式，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。

4、使用场景

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。

参考资料

• https://github.com/dwmkerr/hacker-laws

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