我的設計模式之旅。本節詳細說明單例模式的實現方式、優缺點，簡要描述多線程情況下利用雙重鎖定保護單例對象和C#靜態初始化的方式。並用 Golang 實現單例模式，三個工作者需要各自找到電梯搭乘，只有一個電梯！補充C#單線程單例模式的實現。 ...

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。

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。

含義：

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。
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。
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。我們可以更改GetInstance() 函數添加條件和參數實現受控訪問。

註意：

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。
通常情況下，單例類只能有一個實例。
在特殊情況下，你可以隨時調整限制並設定生成單例實例的數量，只需修改獲取實例方法，即 getInstance 中的代碼即可實現。

實現方式：

將預設構造函數設為私有，防止其他對象使用單例類的 new 運算符。
新建一個靜態構建方法作為構造函數。該函數會“偷偷”調用私有構造函數來創建對象，並將其保存在一個靜態成員變數中。此後所有對於該函數的調用都將返回這一緩存對象（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）
檢查客戶端代碼，將對單例的構造函數的調用替換為對其靜態構建方法的調用。
需要私有靜態成員變數保存單例、公有靜態構建方法獲取單例、類的構造函數私有化保護單例實例。

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：

違反了單一職責原則。該模式同時解決了兩個問題。
單例模式可能掩蓋不良設計，比如程式各組件之間相互瞭解過多等。
該模式在多線程環境下需要進行特殊處理，避免多個線程多次創建單例對象。
- 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。
單例的客戶端代碼單元測試可能會比較困難，因為許多測試框架以基於繼承的方式創建模擬對象。由於單例類的構造函數是私有的，而且絕大部分語言無法重寫靜態方法，所以你需要想出仔細考慮模擬單例的方法。要麼乾脆不編寫測試代碼，或者不使用單例模式。

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。

與其他模式的關係：

外觀類通常可以轉換為單例類，因為在大部分情況下一個外觀對象就足夠了。
如果你能將對象的所有共用狀態簡化為一個享元對象，那麼享元就和單例類似了。但這兩個模式有兩個根本性的不同。
- 只會有一個單例實體，但是享元類可以有多個實體，各實體的內在狀態也可以不同。
- 單例對象可以是可變的。享元對象是不可變的。
抽象工廠、生成器和原型都可以用單例來實現。

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。

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!")
	}
}

// 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
// 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。

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
《深入設計模式》亞歷山大·什韋茨
單例模式 | 菜鳥教程

我的設計模式之旅、02 單例模式（第二次更新）