Go 语言自带设计模式

2023-03-21 微信公众号洋芋编程

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本文转载自微信公众号「洋芋编程」，作者蛮荆。转载本文请联系洋芋编程公众号。

在软件工程中，设计模式（design pattern）是对软件设计中普遍存在（反复出现）的各种问题，所提出的解决方案。 -- 维基百科

和传统的 GOF, JAVA, C# 教科书式的设计模式不同，Go 语言设计从一开始就力求简洁，有其他编程语言基础的读者在学习和使用 Go 语言时，万万不可按图索骥、生搬硬套，简单的事情复杂化。

本文带领大家一起看一下，Go 语言标准库中自带的编程设计模式。

单例模式

确保一个类只有一个实例，并提供对该实例的全局访问。

通过使用标准库中的 sync.Once 对业务对象进行简单封装，即可实现单例模式，简单安全高效。

package main

import "sync"

var (
    once     sync.Once
    instance Singleton
)

// Singleton 业务对象
type Singleton struct {
}

// NewInstance 单例模式方法
func NewInstance() Singleton {
    once.Do(func() {
        instance = Singleton{}
    })
    return instance
}

func main() {
    // 调用方代码
    s1 := NewInstance()
    s2 := NewInstance()
    s3 := NewInstance() 
}

Go 标准库单例模式

简单工厂模式

Go 语言本身没有构造方法特性，工程实践中一般使用 NewXXX 创建新的对象 (XXX 为对象名称)，比如标准库中的:

// errors/errors.go

func New(text string) error {
    return &errorString{text}
}

// sync/cond.go
func NewCond(l Locker) *Cond {
    return &Cond{L: l}
}

在这个基础上，如果方法返回的是 interface 的时候，其实就等于是简单工厂模式，然后再加一层抽象的话，就接近于抽象工厂模式。

package main

// ConfigParser 配置解析接口
type ConfigParser interface {
    Parse(p []byte)
}

// JsonParser Json 文件解析器
type JsonParser struct {
}

func (j *JsonParser) Parse(p []byte) {

}

func newJsonParser() *JsonParser {
    return &JsonParser{}
}

// YamlParser Yaml 文件解析器
type YamlParser struct {
}

func (y *YamlParser) Parse(p []byte) {

}

func newYamlParser() *YamlParser {
    return &YamlParser{}
}

type ConfigType uint8

const (
    JsonType ConfigType = 1 << iota
    YamlType
)

// NewConfig 根据不同的类型创建对应的解析器
func NewConfig(t ConfigType) ConfigParser {
    switch t {
    case JsonType:
        return newJsonParser()
    case YamlType:
        return newYamlParser()
    default:
        return nil
    }
}

func main() {
    // 调用方代码
    jsonParser := NewConfig(JsonType)
    yamlParser := NewConfig(YamlType)
}

Go 实现简单工厂模式

对象池模式

通过回收利用对象避免获取和释放资源所需的昂贵成本，我们可以直接使用 sync.Pool 对象来实现功能。

package main

import (
    ".NET/http"
    "sync"
)

var (
    // HTTP Request 对象池
    reqPool = sync.Pool{
        New: func() any {
            return http.Request{}
        },
    }
)

func main() {
    // 调用方代码
    r1 := reqPool.Get()
    r2 := reqPool.Get()
    r3 := reqPool.Get()

    reqPool.Put(r1)
    reqPool.Put(r2)
    reqPool.Put(r3)
}

构建模式 (Builder)

将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

如果用传统的方法实现构建模式，对应的 Go 语言代码大致是下面这个样子:

package main

type QueryBuilder interface {
    Select(table string, columns []string) QueryBuilder
    Where(conditions ...string) QueryBuilder
    GetRawSQL() string
}

type MySQLQueryBuilder struct {
}

func (m *MySQLQueryBuilder) Select(table string, columns ...string) QueryBuilder {
    // 具体实现代码跳过
    return nil
}

func (m *MySQLQueryBuilder) Where(conditions ...string) QueryBuilder {
    // 具体实现代码跳过
    return nil
}

func (m *MySQLQueryBuilder) GetRawSQL() string {
    // 具体实现代码跳过
    return ""
}

func main() {
    // 调用方代码
    m := &MySQLQueryBuilder{}

    sql := m.Select("users", "username", "password").
        Where("id = 100").
        GetRawSQL()

    println(sql)
}

Go 实现构建模式

上面的代码中，通过经典的链式调用来构造出具体的 SQL 语句，但是在 Go 语言中，我们一般使用另外一种模式来实现同样的功能 FUNCTIONAL OPTIONS，这似乎也是 Go 语言中最流行的模式之一。

package main

type SQL struct {
    Table   string
    Columns []string
    Where   []string
}

type Option func(s *SQL)

func Table(t string) Option {
    // 注意返回值类型
    return func(s *SQL) {
        s.Table = t
    }
}

func Columns(cs ...string) Option {
    // 注意返回值类型
    return func(s *SQL) {
        s.Columns = cs
    }
}

func Where(conditions ...string) Option {
    // 注意返回值类型
    return func(s *SQL) {
        s.Where = conditions
    }
}

func NewSQL(options ...Option) *SQL {
    sql := &SQL{}

    for _, option := range options {
        option(sql)
    }

    return sql
}

func main() {
    // 调用方代码
    sql := NewSQL(Table("users"),
        Columns("username", "password"),
        Where("id = 100"),
    )

    println(sql)
}

Go FUNCTIONAL OPTIONS 模式

观察者模式

在对象间定义一个一对多的联系性，由此当一个对象改变了状态，所有其他相关的对象会被通知并且自动刷新。

如果用传统的方法实现观察者模式，对应的 Go 语言代码大致是下面这个样子:

package main

import "math"

// Observer 观察者接口
type Observer interface {
    OnNotify(Event)
}

// Notifier 订阅接口
type Notifier interface {
    Register(Observer)
    Deregister(Observer)
    Notify(Event)
}

type (
    Event struct {
        Data int64
    }

    eventObserver struct {
        id int
    }

    eventNotifier struct {
        observers map[Observer]struct{}
    }
)

// OnNotify 观察者收到订阅的时间回调
func (o *eventObserver) OnNotify(e Event) {
}

// Register 注册观察者
func (o *eventNotifier) Register(l Observer) {
    o.observers[l] = struct{}{}
}

// Deregister 移除观察者
func (o *eventNotifier) Deregister(l Observer) {
    delete(o.observers, l)
}

// Notify 发出通知
func (o *eventNotifier) Notify(e Event) {
    for p := range o.observers {
        p.OnNotify(e)
    }
}

func main() {
    // 调用方代码
    notifier := eventNotifier{
        observers: make(map[Observer]struct{}),
    }

    notifier.Register(&eventObserver{1})
    notifier.Register(&eventObserver{2})
    notifier.Register(&eventObserver{3})

    notifier.Notify(Event{Data: math.MaxInt64})
}

Go 实现观察者模式

但其实我们有更简洁的方法，直接使用标准库中的 sync.Cond 对象，改造之后的观察者模式代码大概是这个样子:

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var done = false

func read(name string, c *sync.Cond) {
    fmt.Println(name, "starts reading")

    c.L.Lock()
    for !done {
        c.Wait() // 等待发出通知
    }
    c.L.Unlock()
}

func write(name string, c *sync.Cond) {
    fmt.Println(name, "starts writing")
    time.Sleep(100 * time.Millisecond)

    c.L.Lock()
    done = true // 设置条件变量
    c.L.Unlock()

    fmt.Println(name, "wakes all")
    c.Broadcast() // 通知所有观察者
}

func main() {
    cond := sync.NewCond(&sync.Mutex{}) // 创建时传入一个互斥锁

    // 3 个观察者
    go read("reader1", cond)
    go read("reader2", cond)
    go read("reader3", cond)

    time.Sleep(time.Second) // 模拟延时

    write("writer-1", cond) // 发出通知

    time.Sleep(time.Second) // 模拟延时
}

Go 标准库观察者模式

将代码改造为 sync.Cond 之后，代码量更好，结构更简洁。

ok/error 模式

在 Go 语言中，经常在一个表达式返回 2 个参数时使用这种模式:

第 1 个参数是一个值或者 nil
第 2 个参数是 true/false 或者 error

在一个需要赋值的 if 条件语句中，使用这种模式去检测第 2 个参数值会让代码显得优雅简洁。

在函数返回时检测错误

package main

func foo() (int, error){
    return 0, nil
}

func main() {
    if v, err := foo(); err != nil {
        panic(err)
    } else {
        println(v)
    }
}

检测 map 是否存在指定的 key

package main

func main() {
    m := make(map[int]string)

    if v, ok := m[0]; ok {
        println(v)
    }
}

类型断言

package main

func foo() interface{} {
    return 1024
}

func main() {
    n := foo()
    if v, ok := n.(int); ok {
        println(v)
    }
}

检测通道是否关闭

package main

func main() {
    ch := make(chan int)

    go func() {
        for i := 0; i < 5; i++ {
            ch <- i
        }
        close(ch)
    }()

    for {
        if v, ok := <-ch; ok {
            println(v)
        } else {
            return
        }
    }
}

// $ go run main.go
// 输出如下
// 0
// 1
// 2
// 3
// 4

附加内容

闭包

有时候，我们可以利用闭包实现一些短小精悍的内部函数。

计数器

package main

func main() {
    newSeqInc := func() func() int {
        seq := 0
        return func() int {
            seq++
            return seq
        }
    }

    seq := newSeqInc() // 创建一个计数器
    println(seq())     // 1
    println(seq())     // 2
    println(seq())     // 3

    seq2 := newSeqInc() // 创建另一个计数器
    println(seq2())     // 1
    println(seq2())     // 2
    println(seq2())     // 3
}

小结

下面表格列出了常用的设计模式，其中 Go 标准库自带的模式已经用删除线标识，读者可以和自己常用的设计模式进行对比。

创建型模式	结构性模式	行为型模式
单例	适配器	策略
简单工厂	装饰者	观察者
抽象工厂	代理	状态
对象池		责任链
构建

长期以来，设计模式一直处于尴尬的位置：初学者被各种概念和关系搞得不知所云，有经验的程序员会觉得 “这种代码写法 (这里指设计模式)，我早就知道了啊”。鉴于这种情况，本文中没有涉及到的设计模式，笔者不打算再一一描述，感兴趣的读者可以直接跳到仓库代码[1] 查看示例代码。

相比于设计模式，更重要的是理解语言本身的特性以及最佳实践。

扩展阅读

Go 与面向对象
设计模式 - 维基百科[2]
go-examples-for-beginners/patterns[3]
圣杯与银弹 · 没用的设计模式[4]
tmrts/go-patterns[5]
DESIGN PATTERNS in GO[6]
解密“设计模式”[7]
Go 编程模式 - 酷壳[8]

引用链接

[1] 仓库代码: https://Github.com/duanbiaowu/go-examples-for-beginners/tree/master/patterns

[2] 设计模式 - 维基百科: https://zh.wikipedia.org/wiki/设计模式_(计算机)

[3] go-examples-for-beginners/patterns: https://github.com/duanbiaowu/go-examples-for-beginners/tree/master/patterns

[4] 圣杯与银弹 · 没用的设计模式: https://draveness.me/holy-grail-design-pattern/

[5] tmrts/go-patterns: https://github.com/tmrts/go-patterns

[6] DESIGN PATTERNS in GO: https://refactoring.guru/design-patterns/go

[7] 解密“设计模式”: http://www.yinwang.org/blog-cn/2013/03/07/design-patterns

[8] Go 编程模式 - 酷壳: https://coolshell.cn/articles/series/go%e7%bc%96%e7%a8%8b%e6%a8%a1%e5%bc%8f