一個菜鳥的設計模式之旅，使用 Golang 實現。本節實現單例模式。三個工作者需要各自找到電梯搭乘！電梯只有一個！ ...

一個菜鳥的設計模式之旅，文章可能會有不對的地方，懇請大佬指出錯誤。

編程旅途是漫長遙遠的，在不同時刻有不同的感悟，本文會一直更新下去。

程式介紹

本程式實現了單例模式，三個工作者需要各自找到電梯搭乘！電梯只有一個！

PS C:\Users\小能喵喵喵\Desktop\設計模式\單例模式> go run .
向海寧 正在搭乘電梯!
田海彬 正在搭乘電梯!

程式代碼

singleton.go

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
	"sync/atomic"
)

type people string

type elevator struct {
	passengers map[people]bool
}

var (
	Elevator    *elevator
	initialized uint32
	mu          sync.Mutex
)

// 餓漢式單例
func init() {
	initialized = 1
	Elevator = &elevator{make(map[people]bool)}
}

// 乘客進電梯
func (p people) intoElevator() {
	e := ElevatorGetInstance()
	e.passengers[p] = true
}

// 乘客出電梯
func (p people) outElevator() {
	e := ElevatorGetInstance()
	delete(e.passengers, p)
}

// 乘客按下電梯樓層按鈕
func (p people) pressButton() {
	e := ElevatorGetInstance()
	e.start()
}

// 電梯開始運作
func (e *elevator) start() {
	for k := range e.passengers {
		fmt.Println(k, "正在搭乘電梯!")
	}
}

// 乘客想知道電梯在哪,單例模式
func ElevatorGetInstance() *elevator {
	if atomic.LoadUint32(&initialized) == 1 {
		return Elevator
	}
	mu.Lock()
	defer mu.Unlock()
	// ^ 懶漢式單例
	if Elevator == nil {
		Elevator = &elevator{make(map[people]bool)}
		atomic.StoreUint32(&initialized, 1)
	}
	return Elevator
}

main.go

package main

// 單例模式

// by 小能喵喵喵 2022年9月8日

func main() {
	var workerA, workerB, workerC people = "陳冰", "向海寧", "田海彬"
	workerA.intoElevator()
	workerB.intoElevator()
	workerC.intoElevator()
	// workerA 發現自己電梯坐錯了
	workerA.outElevator()
	// workerB 按下了電梯按鈕
	workerB.pressButton()
}

Console

PS C:\Users\小能喵喵喵\Desktop\設計模式\單例模式> go run .
向海寧 正在搭乘電梯!
田海彬 正在搭乘電梯!

補充C#單線程單例實現

class Singleton
{
    private static Singleton instance;
    private Singleton() //使用 private 欄位外界無法使用new手動創建實例，只能通過靜態方法創建
    {    
    }
    public static Singleton GetInstance()
    {
        if(instance == null)
        {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance
    }
}

所有類都有構造方法，不編碼則系統預設生成空的構造方法，若有顯示定義的構造方法，預設的構造方法就會失效。

思考總結

什麼是單例模式

單例模式（Singleton Pattern）屬於創建型模式，它提供了一種創建對象的最佳方式。

單例模式：保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責創建自己的對象，同時確保只有單個對象被創建。這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。（由於Golang不支持靜態方法、靜態欄位，所以使用純函數替代面向對象中的靜態方法，即上面程式的ElevatorGetInstance()函數）

職責角度看，實例化與否不應該由使用方判斷，而是應該由自己來判斷。將實例化判斷過程遷移到GetInstance()函數。

在C#中的單例模式，Singleton類封裝它的唯一實例，這樣它可以嚴格地控制客戶怎樣訪問它以及何時訪問它。簡單地說就是對唯一實例的受控訪問。當然在golang的實現中，我們也可以更改ElevatorGetInstance() 函數添加條件和參數實現受控訪問。

註意：

單例類只能有一個實例。
單例類必須自己創建自己的唯一實例。
單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

主要解決：一個全局使用的類頻繁地創建與銷毀。

何時使用：當您想控制實例數目，節省系統資源的時候。

如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，如果有則返回，如果沒有則創建。

關鍵代碼：構造函數是私有的。（c#）

應用實例：

1、一個班級只有一個班主任。
2、Windows 是多進程多線程的，在操作一個文件的時候，就不可避免地出現多個進程或線程同時操作一個文件的現象，所以所有文件的處理必須通過唯一的實例來進行。
3、一些設備管理器常常設計為單例模式，比如一個電腦有兩台印表機，在輸出的時候就要處理不能兩台印表機列印同一個文件。

優點：

1、在記憶體里只有一個實例，減少了記憶體的開銷，尤其是頻繁的創建和銷毀實例（比如管理學院首頁頁面緩存）。
2、避免對資源的多重占用（比如寫文件操作）。

缺點：沒有介面，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來實例化。

使用場景：

1、要求生產唯一序列號。
2、WEB 中的計數器，不用每次刷新都在資料庫裡加一次，用單例先緩存起來。
3、創建的一個對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與資料庫的連接等。

註意事項：getInstance() 方法中需要使用同步鎖防止多線程同時進入造成 instance 被多次實例化。

雙重”鎖定“

原子操作，是併發編程中”最小的且不可並行化“的操作。本案例中使用原子操作配合互斥鎖實現了非常高效的單例模式。互斥鎖的代價比普通整數的原子讀寫高很多，所以在性能敏感的地方添加一個initialized標誌位，通過原子檢測標誌位狀態降低互斥鎖的次數來提高性能。（也可以使用實例來進行判斷，在實例未被創建的時候再加鎖處理）

在互斥鎖之後還要判斷實例是否存在，是因為當多線程的時候，當一個線程處理完退出解鎖，另一個在排隊等候的線程進入後如果沒有實例的判斷，那麼會再生成一遍實例，沒有達到單例的目的。

靜態初始化

C# 提供了靜態初始化的方法，這種方法可以解決多線程環境下不安全的原因。

C# 給類添加sealed關鍵字防止子類繼承產生多個單例、給靜態欄位添加readonly修改為只讀狀態，意味著只能在靜態初始化期間或在類構造函數中分配變數。

這種靜態初始化的方式是在自己被載入時就將自己實例化，所以被形象地稱之為餓漢式單例類，原先的單例模式處理方式是要在被第一次引用時才會自己實例化，這叫懶漢式初始化。

餓漢式初始化是類一載入就實例化的對象，所以要提前占用系統資源。然而懶漢式，又會面臨多線程訪問的安全性問題，需要做雙重鎖定才能保證安全。

在golang實現靜態初始化，實際上只要把實例化的過程移動到當前文件的init函數中，在包被載入的過程中，會首先運行各個文件的init函數，再運行main函數。

實用類與單例類的比較

在C#經常有工具類之說，這個工具類包含許多靜態方法和靜態屬性。但是這種實用類沒有單例類的狀態。實用類不能用於繼承多台，而單例類雖然實例唯一，但是可以有子類來繼承。實用類是一些方法屬性的集合，單例是有著唯一對象的實例。

參考資料

《Go語言核心編程》李文塔
《Go語言高級編程》柴樹彬、曹春輝
《大話設計模式》程傑
單例模式 | 菜鳥教程

我的設計模式之旅 ② 單例模式