创建型：单例模式

一、为什么要使用单例

1.1 单例的定义

单例设计模式（Singleton Design Pattern）理解起来非常简单。一个类只允许创建一个对象（或者叫实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。

1.2 单例的用处

从业务概念上，有些数据在系统中 只应该保存一份，就比较适合设计为单例类。比如，系统的配置信息类。

除此之外，我们还可以使用单例 解决资源访问冲突 的问题。

1.3 单例的实现

概括起来，要实现一个单例，我们需要关注的点无外乎下面几个：

1. 构造函数需要是 private 访问权限的，这样才能避免外部通过 new 创建实例；
2. 考虑对象创建时的线程安全问题；
3. 考虑是否支持延迟加载；
4. 考虑 getInstance() 性能是否高（是否加锁）。

具体来说，单例有下面几种经典的实现方式。

饿汉式

饿汉式的实现方式，在类加载的期间，就已经将 instance 静态实例初始化好了，所以，instance 实例的创建是线程安全的。不过，这样的实现方式不支持延迟加载实例。

package singleton

// Singleton 饿汉式单例
type Singleton struct{}

var singleton *Singleton

func init() {
	singleton = &Singleton{}
}

// GetInstance 获取实例
func GetInstance() *Singleton {
	return singleton
}

懒汉式（双重检测）

懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载，同时双重检测可以保证只要 instance 被创建，之后再调用 getInstance() 函数都不会进入到加锁逻辑中。所以，这是一种既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式。

package singleton

import "sync"

// LazySingleton 懒汉式单例
type LazySingleton struct{}

var (
	lazySingleton *LazySingleton
	once          sync.Once
)

// GetLazyInstance 获取实例
func GetLazyInstance() *LazySingleton {
	if lazySingleton == nil {
		once.Do(func() {
			lazySingleton = &LazySingleton{}
		})
	}
	return lazySingleton
}

二、单例存在哪些问题

2.1 对 OOP 特性支持不友好

OOP 的四大特性是封装、抽象、继承、多态。单例的使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则，即违背了广义上理解的 OOP 的抽象特性。

此外，单例对继承、多态特性的支持也不友好。虽然单例类也可以被继承、也可以实现多态，只是实现起来会非常奇怪，会导致代码的可读性变差。所以，一旦你选择将某个类设计成到单例类，也就意味着放弃了继承和多态这两个强有力的面向对象特性，也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性。

2.2 会隐藏类之间依赖关系

由于单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递，在函数中直接调用就可以使用。如果代码比较复杂，这种调用关系就会非常隐蔽。在阅读代码的时候，我们就需要仔细查看每个函数的代码实现，才能知道这个类到底依赖了哪些单例类。

2.3 对代码的扩展性不友好

我们知道，单例类只能有一个对象实例。如果未来某一天，我们需要在代码中创建两个实例或多个实例，那就要对代码有比较大的改动。

以数据库连接池为例，在系统设计初期，我们觉得系统中只应该有一个数据库连接池，这样能方便我们控制对数据库连接资源的消耗。所以，我们把数据库连接池类设计成了单例类。

但之后我们如果想要将慢 SQL 和其他 SQL 分离执行，就需要两个连接池了，而单例显然无法满足这样的需求变更。也就是说，单例类在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。

2.4 对代码可测试性不友好

如果单例类依赖比较重的外部资源，比如 DB，我们在写单元测试的时候，希望能通过 mock 的方式将它替换掉。而单例类这种硬编码式的使用方式，导致无法实现 mock 替换。

如果单例类持有成员变量，那它实际上相当于一种全局变量，被所有的代码共享。如果这个全局变量是一个可变全局变量，也就是说，它的成员变量是可以被修改的，那我们在编写单元测试的时候，还需要注意不同测试用例之间，修改了单例类中的同一个成员变量的值，从而导致测试结果互相影响的问题。

2.5 不支持有参的构造函数

单例不支持有参数的构造函数，比如我们创建一个连接池的单例对象，我们没法通过参数来指定连接池的大小。

三、单例模式的唯一性

单例类中对象的唯一性的作用范围是 进程唯一 的。

• 进程唯一指的是：进程内唯一，进程间不唯一；
• 线程唯一指的是：线程内唯一，线程间不唯一；
  • 实际上，进程唯一就意味着线程内、线程间都唯一，这也是进程唯一和线程唯一的区别之处。
• 集群唯一指的是：进程内唯一、进程间也唯一。

3.1 线程唯一的单例

我们通过一个 Map 来存储对象，其中 key 是线程 ID，value 是对象。这样我们就可以做到，不同的线程对应不同的对象，同一个线程只能对应一个对象。

注意

Golang 中不推荐使用，Golang 主要使用协程，而协程 ID 默认并没有暴露出来。

3.2 集群环境下的单例

我们需要把这个单例对象 序列化并存储到外部共享存储区（比如文件）。

进程在使用这个单例对象的时候，需要先从外部共享存储区中将它读取到内存，并反序列化成对象，然后再使用，使用完成之后还需要再存储回外部共享存储区。

为了保证任何时刻在进程间都只有一份对象存在，一个进程在获取到对象之后，需要对对象加锁，避免其他进程再将其获取。在进程使用完这个对象之后，需要显式地将对象从内存中删除，并且释放对对象的加锁。

四、多例模式的实现

“单例”指的是一个类只能创建一个对象。对应地，“多例”指的就是一个类可以创建多个对象，但是个数是有限制的。

多例的实现也比较简单，通过一个 Map 来存储对象类型和对象之间的对应关系，即同一类型的只能创建一个对象，不同类型的可以创建多个对象。这种多例模式的理解方式有点类似工厂模式。它跟工厂模式的不同之处是，多例模式创建的对象都是同一个类的对象，而工厂模式创建的是不同子类的对象。

五、参考资料

• 设计模式之美 (opens new window)
• Go设计模式01-单例模式 (opens new window)