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。
- 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;
- 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;
- 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;
- goroutine X 释放锁，返回 instance，退出 New 函数;
- 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。
