我的设计模式之旅 ② 单例模式

一个菜鸟的设计模式之旅，文章可能会有不对的地方，恳请大佬指出错误。
编程旅途是漫长遥远的，在不同时刻有不同的感悟，本文会一直更新下去。
程序介绍


本程序实现了单例模式，三个工作者需要各自找到电梯搭乘！电梯只有一个！

1. PS C:\Users\小能喵喵喵\Desktop\设计模式\单例模式> go run .
2. 向海宁 正在搭乘电梯!
3. 田海彬 正在搭乘电梯!

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程序代码

singleton.go

1. package main
3. import (
4.         "fmt"
5.         "sync"
6.         "sync/atomic"
7. )
9. type people string
11. type elevator struct {
12.         passengers map[people]bool
13. }
15. var (
16.         Elevator    *elevator
17.         initialized uint32
18.         mu          sync.Mutex
19. )
21. // 饿汉式单例
22. func init() {
23.         initialized = 1
24.         Elevator = &elevator{make(map[people]bool)}
25. }
27. // 乘客进电梯
28. func (p people) intoElevator() {
29.         e := ElevatorGetInstance()
30.         e.passengers[p] = true
31. }
33. // 乘客出电梯
34. func (p people) outElevator() {
35.         e := ElevatorGetInstance()
36.         delete(e.passengers, p)
37. }
39. // 乘客按下电梯楼层按钮
40. func (p people) pressButton() {
41.         e := ElevatorGetInstance()
42.         e.start()
43. }
45. // 电梯开始运作
46. func (e *elevator) start() {
47.         for k := range e.passengers {
48.                 fmt.Println(k, "正在搭乘电梯!")
49.         }
50. }
52. // 乘客想知道电梯在哪,单例模式
53. func ElevatorGetInstance() *elevator {
54.         if atomic.LoadUint32(&initialized) == 1 {
55.                 return Elevator
56.         }
57.         mu.Lock()
58.         defer mu.Unlock()
59.         // ^ 懒汉式单例
60.         if Elevator == nil {
61.                 Elevator = &elevator{make(map[people]bool)}
62.                 atomic.StoreUint32(&initialized, 1)
63.         }
64.         return Elevator
65. }

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main.go

1. package main
3. // 单例模式
5. // by 小能喵喵喵 2022年9月8日
7. func main() {
8.         var workerA, workerB, workerC people = "陈冰", "向海宁", "田海彬"
9.         workerA.intoElevator()
10.         workerB.intoElevator()
11.         workerC.intoElevator()
12.         // workerA 发现自己电梯坐错了
13.         workerA.outElevator()
14.         // workerB 按下了电梯按钮
15.         workerB.pressButton()
16. }

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Console

1. PS C:\Users\小能喵喵喵\Desktop\设计模式\单例模式> go run .
2. 向海宁 正在搭乘电梯!
3. 田海彬 正在搭乘电梯!

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补充C#单线程单例实现

1. class Singleton
2. {
3.     private static Singleton instance;
4.     private Singleton() //使用 private 字段外界无法使用new手动创建实例，只能通过静态方法创建
5.     {   
6.     }
7.     public static Singleton GetInstance()
8.     {
9.         if(instance == null)
10.         {
11.             instance = new Singleton();
12.         }
13.         return instance
14.     }
15. }

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所有类都有构造方法，不编码则系统默认生成空的构造方法，若有显示定义的构造方法，默认的构造方法就会失效。
思考总结

什么是单例模式

单例模式（Singleton Pattern）属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

单例模式：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。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。（由于Golang不支持静态方法、静态字段，所以使用纯函数替代面向对象中的静态方法，即上面程序的ElevatorGetInstance()函数）
职责角度看，实例化与否不应该由使用方判断，而是应该由自己来判断。将实例化判断过程迁移到GetInstance()函数。
在C#中的单例模式，Singleton类封装它的唯一实例，这样它可以严格地控制客户怎样访问它以及何时访问它。简单地说就是对唯一实例的受控访问。当然在golang的实现中，我们也可以更改ElevatorGetInstance() 函数添加条件和参数实现受控访问。
注意：

• 单例类只能有一个实例。
  
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
  

主要解决：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。
如何解决：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。
关键代码：构造函数是私有的。（c#）
应用实例：

• 1、一个班级只有一个班主任。
  
• 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  
• 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
  

优点：

• 1、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（比如管理学院首页页面缓存）。
  
• 2、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。
使用场景：

• 1、要求生产唯一序列号。
  
• 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  
• 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。
  

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。
双重”锁定“

原子操作，是并发编程中”最小的且不可并行化“的操作。本案例中使用原子操作配合互斥锁实现了非常高效的单例模式。互斥锁的代价比普通整数的原子读写高很多，所以在性能敏感的地方添加一个initialized标志位，通过原子检测标志位状态降低互斥锁的次数来提高性能。（也可以使用实例来进行判断，在实例未被创建的时候再加锁处理）
在互斥锁之后还要判断实例是否存在，是因为当多线程的时候，当一个线程处理完退出解锁，另一个在排队等候的线程进入后如果没有实例的判断，那么会再生成一遍实例，没有达到单例的目的。
静态初始化

C# 提供了静态初始化的方法，这种方法可以解决多线程环境下不安全的原因。
C# 给类添加sealed关键字防止子类继承产生多个单例、给静态字段添加readonly修改为只读状态，意味着只能在静态初始化期间或在类构造函数中分配变量。
这种静态初始化的方式是在自己被加载时就将自己实例化，所以被形象地称之为饿汉式单例类，原先的单例模式处理方式是要在被第一次引用时才会自己实例化，这叫懒汉式初始化。
饿汉式初始化是类一加载就实例化的对象，所以要提前占用系统资源。然而懒汉式，又会面临多线程访问的安全性问题，需要做双重锁定才能保证安全。
在golang实现静态初始化，实际上只要把实例化的过程移动到当前文件的init函数中，在包被加载的过程中，会首先运行各个文件的init函数，再运行main函数。
实用类与单例类的比较

在C#经常有工具类之说，这个工具类包含许多静态方法和静态属性。但是这种实用类没有单例类的状态。实用类不能用于继承多台，而单例类虽然实例唯一，但是可以有子类来继承。实用类是一些方法属性的集合，单例是有着唯一对象的实例。
参考资料

• 《Go语言核心编程》李文塔
  
• 《Go语言高级编程》柴树彬、曹春辉
  
• 《大话设计模式》程杰
  
• 单例模式 | 菜鸟教程
  

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