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Go 和 Java 对比学习:单例模式

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。

作者:Go语言中文网来源:今日头条|2020-09-16 12:18

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:

  1. public class Singleton { 
  2.   private static final Singleton instance = new Singleton(); 
  3.   private int count = 0; 
  4.   private Singleton() {} 
  5.   public static Singleton getInstance() { 
  6.     return instance; 
  7.   }  public int Add() int { 
  8.     this.count++; 
  9.     return this.count
  10.   }} 

代码很简单,不过多解释。直接看懒汉式的实现:

  1. public class Singleton { 
  2.   private static Singleton instance = null
  3.   private int count = 0; 
  4.   private Singleton() {} 
  5.   public static synchronized Singleton getInstance() { 
  6.     if (instance == null) { 
  7.       instance = new Singleton(); 
  8.     }    return instance; 
  9.   }  public int Add() int { 
  10.     this.count++; 
  11.     return this.count
  12.   }} 

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。

  1. // 饿汉式单例模式 
  2. package singleton 
  3. type singleton struct {  count int 
  4. }var Instance = new(singleton)func (s *singleton) Add() int { 
  5.   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:

  1. c := singleton.Instance.Add() 

看看懒汉式单例模式在 Go 中如何实现:

  1. // 懒汉式单例模式 
  2. package singleton 
  3. import ( "sync" 
  4. )type singleton struct { 
  5.   count int}var (  instance *singleton  mutex sync.Mutex)func New() *singleton {  mutex.Lock()  if instance == nil { 
  6.     instance = new(singleton)  }  mutex.Unlock()    return instance 
  7. }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:

  1. func New() *singleton { 
  2.   if instance == nil { // 第一次检查(①) 
  3.     // 这里可能有多于一个 goroutine 同时达到(②) 
  4.     mutex.Lock() 
  5.     // 这里每个时刻只会有一个 goroutine(③) 
  6.     if instance == nil { // 第二次检查(④) 
  7.       instance = new(singleton) 
  8.     } 
  9.     mutex.Unlock() 
  10.   } 
  11.    
  12.   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)

  1. package singleton_test 
  2. import ( "testing" 
  3.  "github.com/polaris1119/go-demo/singleton" 
  4. )func BenchmarkNew(b *testing.B) { 
  5.  for i := 0; i < b.N; i++ { 
  6.   singleton.New() }}func BenchmarkNew2(b *testing.B) { 
  7.  for i := 0; i < b.N; i++ { 
  8.   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:

  1. $ go test -benchmem -bench ^BenchmarkNew$ github.com/polaris1119/go-demo/singleton 
  2. goos: darwin 
  3. goarch: amd64 
  4. pkg: github.com/polaris1119/go-demo/singleton 
  5. BenchmarkNew-8    80470467         14.0 ns/op        0 B/op        0 allocs/op 
  6. PASS 
  7. ok   github.com/polaris1119/go-demo/singleton 1.151s 

New2 的结果:

  1. $ go test -benchmem -bench ^BenchmarkNew2$ github.com/polaris1119/go-demo/singleton 
  2. goos: darwin 
  3. goarch: amd64 
  4. pkg: github.com/polaris1119/go-demo/singleton 
  5. BenchmarkNew2-8    658810392          1.80 ns/op        0 B/op        0 allocs/op 
  6. PASS 
  7. 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):

  1. var once sync.Once 
  2. func New3() *singleton {    once.Do(func() { 
  3.         instance = new(singleton) 
  4.     })    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。

【编辑推荐】

  1. 关于 JavaScript 错误处理的最完整指南(下半部)
  2. 离开 Google:五年以来
  3. Golang面试make和new的用法
  4. Java中提供了synchronized,为什么还要提供Lock呢?
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【责任编辑:未丽燕 TEL:(010)68476606】

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