设计模式解密：单例模式的终极指南（PHP/Go双实现）

一、什么是单例模式？

单例模式（Singleton Pattern） 是一种创建型设计模式，确保一个类仅有一个实例，并提供全局访问点。其核心思想是通过控制实例化过程，避免资源重复消耗和状态不一致。

核心特征：

1. 私有化构造函数（防止外部实例化）

2. 静态属性保存唯一实例

3. 全局访问入口

4. 线程安全（多线程环境下）

二、适用场景

• ✅ 数据库连接池管理

• ✅ 应用配置中心

• ✅ 日志记录器

• ✅ 硬件设备访问控制

• ✅ 缓存管理器

三、PHP实现方案

基础实现（线程安全版）

class DatabaseConnection {
    private static $instance = null;
    private $connection;

    // 私有化构造方法
    private function __construct() {
        $this->connection = new PDO(
            'mysql:host=localhost;dbname=test',
            'root',
            'password'
        );
    }

    // 防止克隆
    private function __clone() {}

    // 防止反序列化
    public function __wakeup() {
        throw new Exception("Cannot unserialize singleton");
    }

    public static function getInstance(): DatabaseConnection {
        if (self::$instance === null) {
            self::$instance = new self();
        }
        return self::$instance;
    }

    public function query(string $sql): PDOStatement {
        return $this->connection->query($sql);
    }
}

// 使用示例
$db1 = DatabaseConnection::getInstance();
$db2 = DatabaseConnection::getInstance();
var_dump($db1 === $db2); // 输出 bool(true)

进阶技巧：Trait复用

trait SingletonTrait {
    private static $instance;

    private function __construct() {}
    private function __clone() {}
    public function __wakeup() {
        throw new Exception("Cannot unserialize singleton");
    }

    public static function getInstance() {
        if (!isset(self::$instance)) {
            self::$instance = new self();
        }
        return self::$instance;
    }
}

class Logger {
    use SingletonTrait;

    public function log(string $message) {
        echo "[LOG] " . date('Y-m-d H:i:s') . " - $message\n";
    }
}

四、Go实现方案

标准实现（带并发安全）

package singleton

import (
    "sync"
)

type database struct {
    conn string
}

var (
    instance *database
    once     sync.Once
)

// 导出接口而非结构体
type Database interface {
    Query(sql string) string
}

func (db *database) Query(sql string) string {
    return "Executed: " + sql
}

func GetInstance() Database {
    once.Do(func() {
        instance = &database{
            conn: "mysql://user:pass@localhost:3306/db",
        }
    })
    return instance
}

// 使用示例
/*
db1 := GetInstance()
db2 := GetInstance()
fmt.Println(db1 == db2) // true
*/

带连接池的高级实现

type ConnectionPool struct {
    pool chan net.Conn
}

var (
    poolInstance *ConnectionPool
    mu           sync.Mutex
)

func GetConnectionPool(maxConn int) *ConnectionPool {
    if poolInstance == nil {
        mu.Lock()
        defer mu.Unlock()
        
        if poolInstance == nil { // 双重检查锁
            poolInstance = &ConnectionPool{
                pool: make(chan net.Conn, maxConn),
            }
            // 初始化连接池
            for i := 0; i < maxConn; i++ {
                conn, _ := net.Dial("tcp", "localhost:3306")
                poolInstance.pool <- conn
            }
        }
    }
    return poolInstance
}

五、关键实现差异对比

六、模式优缺点分析

👍 优点：

• 严格管控资源访问

• 减少内存开销

• 避免状态不一致

• 提供统一访问入口

👎 缺点：

• 违反单一职责原则

• 单元测试困难（全局状态）

• 可能隐藏过度耦合

• 多线程环境复杂度增加

七、最佳实践建议

1. 谨慎使用：仅在真正需要全局唯一性的场景使用

2. 依赖注入：通过容器管理单例生命周期

防御性编程：

// Go示例：防止反射破坏单例
var flag uint32
func GetInstance() Singleton {
    if atomic.LoadUint32(&flag) == 1 {
        return instance
    }
    // ...初始化逻辑
}

1. 文档标注：明确标注单例类职责

八、常见面试题

1. 如何防止通过反射创建新实例？

2. 单例模式如何实现延迟加载？

3. 分布式系统中单例是否仍然有效？

4. 如何实现可配置的单例类？

5. 单例模式与静态类的本质区别是什么？

九、扩展思考

• 单例注册表：管理多个单例对象

• 环境适配：根据运行环境返回不同实现

• 生命周期管理：支持单例重置/销毁

// PHP单例注册表示例
class SingletonRegistry {
    private static $instances = [];

    public static function getInstance(string $class) {
        if (!isset(self::$instances[$class])) {
            self::$instances[$class] = new $class();
        }
        return self::$instances[$class];
    }
}

架构师提示：在现代框架（如Laravel、Gin）中，推荐使用依赖注入容器替代传统单例实现，以获得更好的可测试性和灵活性。