我的设计模式之旅、02 单例模式（第二次更新）

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。
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。

含义：

• 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。
  
• 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。
  
• 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。我们可以更改GetInstance() 函数添加条件和参数实现受控访问。
  

注意：

• 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。
  
• 通常情况下，单例类只能有一个实例。
  
• 在特殊情况下，你可以随时调整限制并设定生成单例实例的数量， 只需修改获取实例方法， 即 getInstance 中的代码即可实现。
  

实现方式：

• 将默认构造函数设为私有， 防止其他对象使用单例类的 new 运算符。
  
• 新建一个静态构建方法作为构造函数。该函数会“偷偷”调用私有构造函数来创建对象，并将其保存在一个静态成员变量中。此后所有对于该函数的调用都将返回这一缓存对象（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）
  
• 检查客户端代码，将对单例的构造函数的调用替换为对其静态构建方法的调用。
  
• 需要私有静态成员变量保存单例、公有静态构建方法获取单例、类的构造函数私有化保护单例实例。
  

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：

• 违反了单一职责原则。该模式同时解决了两个问题。
  
• 单例模式可能掩盖不良设计，比如程序各组件之间相互了解过多等。
  
• 该模式在多线程环境下需要进行特殊处理，避免多个线程多次创建单例对象。
  
  
  
  • 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。
    
  
  
• 单例的客户端代码单元测试可能会比较困难，因为许多测试框架以基于继承的方式创建模拟对象。由于单例类的构造函数是私有的，而且绝大部分语言无法重写静态方法，所以你需要想出仔细考虑模拟单例的方法。要么干脆不编写测试代码，或者不使用单例模式。
  

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。
  

与其他模式的关系：

• 外观类通常可以转换为单例类，因为在大部分情况下一个外观对象就足够了。
  
• 如果你能将对象的所有共享状态简化为一个享元对象，那么享元就和单例类似了。但这两个模式有两个根本性的不同。
  
  
  
  • 只会有一个单例实体，但是享元类可以有多个实体，各实体的内在状态也可以不同。
    
  • 单例对象可以是可变的。享元对象是不可变的。
    
  
  
• 抽象工厂、生成器和原型都可以用单例来实现。
  

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。
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!

复制代码

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. // 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
53. // 乘客想知道电梯在哪,单例模式
54. func ElevatorGetInstance() *Elevator {
55.         if atomic.LoadUint32(&initialized) == 1 {
56.                 return elevator
57.         }
58.         mu.Lock()
59.         defer mu.Unlock()
60.         // ^ 懒汉式单例
61.         if elevator == nil {
62.                 elevator = &Elevator{make(map[People]bool)}
63.                 atomic.StoreUint32(&initialized, 1)
64.         }
65.         return elevator
66. }

复制代码

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. }

复制代码

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!

复制代码

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. }

复制代码

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。
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
  
• 《深入设计模式》亚历山大·什韦茨
  
• 单例模式 | 菜鸟教程
  

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