Golang 单例模式与sync.Once

背景

单例模式可以说是最简单的设计模式之一了，功能很简单：一个类型的东西只实例化一次，全局只有一个实例，并提供方法来获取该实例。

在 Golang 中变量或说明实例只初始化一次的效果通过init函数是可以实现的，包在被引入时就会执行一次init函数且无论同一包被引入多少次也都只执行一次。

不过本文主要想讨论的单例模式是第一次需要用到时才去初始化，也就是延迟初始化。

不太好的单例实现

// bad_singleton.go

package main

import (
    "sync"
)

var svcMu sync.Mutex
var svc *Svc

type Svc struct {
    Num int
}

func GetSvc() *Svc {
    if svc == nil { // 这一步判断不是并发安全的
        svcMu.Lock()
        defer svcMu.Unlock()
        if svc == nil {
            svc = &Svc{Num: 1}
            svc = &Svc{}
            svc.Num = 1

        }
    }

    return svc
}

注意执行互斥锁svcMu.Lock()前的语句if svc == nil 并不是并发安全的，即在多个 goroutine 并发调用的场景下，其中的一个 goroutine 正在初始化这个变量svc的过程中，这里别的 goroutine 判断得到svc不等于nil的结果时也并不意味着svc就一定完成初始化了。

因为在缺乏显式同步的情况下，编译器和CPU在能保证每个 goroutine 内满足串行一致性的基础上可以自由地重排访问内存的指令顺序。

比如svc = &Svc{Num: 1}这行看上去只是一条执行语句，可能重排后的一种实现是像下面这样的：

svc = &Svc{}
svc.Num = 1

可见，不等于nil并不意味着就一定完成了初始化，因此上面示例是一种不太好的单例实现。

比较好的单例实现

// good_singleton.go

package main

import (
    "sync"
)

var svcOnce sync.Once
var svc *Svc

type Svc struct {
    Num int
}

func GetSvc() *Svc {
    svcOnce.Do(func() {
        svc = &Svc{Num: 1}
    })

    return svc
}

sync.Once提供的Do方法无论被调用多少次都只执行传入的函数一次，那为什么说直接使用Do方法执行初始化而不是套一层if svc == nil 才是比较好的做法呢，下面结合sync.Once源码来说明。

// sync.Once 源码

package sync

import (
    "sync/atomic"
)

type Once struct {
    done uint32
    m    Mutex
}

func (o *Once) Do(f func()) {
    if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 { // 这步是判断是否已经完成初始化的关键
        o.doSlow(f)
    }
}

func (o *Once) doSlow(f func()) {
    o.m.Lock()
    defer o.m.Unlock()
    if o.done == 0 {
        defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
        f()
    }
}

官方对于sync.Once的实现是非常短小精悍的。其中atomic.LoadUint32(&o.done) == 0是关键的一步，这里采用的是原子操作语句，保证了即使在并发场景下也是安全的，对数据的读写都是完整的。

当o.done的值为0时表示未进行初始化或正在初始化中，只有等于1时才表示初始化已经完成，即f()执行完成后由defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)语句给o.done赋值1；也就是o.done作为是否完成初始化的标识，可能的值只有前面说的两个，为0时则加锁并尝试初始化流程，反之则视为已完成初始化直接跳过，这样就完美兼顾了效率与并发安全。

由此可见sync.Once内置的初始化完成标识判断远比if svc == nil 靠谱，因此像上面这样使用sync.Once实现单例模式是最推荐的方式。

额外推荐

实则开发中用到的设计模式经常不止一种，越是复杂大型的项目就越需要使用更多合适的模式来优化代码。

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下图是设计模式的目录页面（是不是很图文并茂呢）：

结语

以上为本人学习和实践的一些总结，如有错漏还请不吝赐教。

参考

《Go程序设计语言》9.5 延迟初始化：sync.Once 网络版
 Go 单例模式讲解和代码示例

Golang 单例模式与sync.Once