面试题：Go语言中sync.Once与传统双重检查锁定实现单例模式有何区别

Question

在Go语言中，sync.Once是实现单例模式的一种方式，而传统的双重检查锁定（DCL）在其他语言如Java等中也用于单例实现。请阐述Go语言里sync.Once与传统双重检查锁定实现单例模式在原理、线程安全性、性能方面有哪些区别？

Answer 1

原理区别

• sync.Once：
  • sync.Once 内部使用一个标志位（done）和一个互斥锁（m）。首次调用 Do 方法时，互斥锁会被锁定，检查标志位，如果标志位为未完成状态，则执行传入的函数，执行完后设置标志位为已完成，最后解锁互斥锁。后续调用 Do 方法时，直接检查标志位，若已完成则不再执行函数，从而确保只执行一次初始化操作。
• 传统双重检查锁定（DCL）：
  • 在传统 DCL 实现中，会在获取锁之前先检查实例是否已经创建（第一次检查），如果未创建则获取锁，再次检查实例是否创建（第二次检查），若仍未创建则创建实例。这种方式旨在减少锁的竞争，因为大部分情况下第一次检查就能确定实例已存在，无需获取锁。

线程安全性区别

• sync.Once：
  • Go 语言的 sync.Once 是完全线程安全的。由于 Go 语言的内存模型保证了对共享变量的读写操作的原子性和可见性，sync.Once 内部的实现利用了这种特性，确保在多线程环境下初始化操作只执行一次，且不同线程看到的实例状态一致。
• 传统双重检查锁定（DCL）：
  • 在早期的 Java 等语言中，传统 DCL 存在线程安全问题。因为在多线程环境下，可能会出现指令重排序的情况。例如，在实例初始化过程中，对象可能会先被分配内存但还未完全初始化，此时另一个线程通过第一次检查发现实例不为空，就直接使用了未完全初始化的实例，导致错误。后来在 Java 5.0 及之后，通过使用 volatile 关键字修饰实例变量，解决了指令重排序问题，从而保证了线程安全性。但在其他一些语言中，如果没有类似的内存屏障机制，传统 DCL 可能无法保证完全的线程安全。

性能区别

• sync.Once：
  • sync.Once 的性能较好。在首次初始化时，虽然需要获取和释放互斥锁，但之后的调用只需检查标志位，无需再次获取锁，开销较小。而且 Go 语言的运行时系统对互斥锁的实现进行了优化，使得锁的竞争开销相对较低。
• 传统双重检查锁定（DCL）：
  • 传统 DCL 的性能取决于实际的使用场景。如果初始化操作非常频繁，由于每次获取锁都有一定的开销，即使通过双重检查减少了锁的竞争，整体性能可能仍不如 sync.Once。但如果初始化操作很少发生，且多线程环境下竞争不激烈，DCL 可以通过减少锁的获取次数来提高性能，因为大部分情况下可以通过第一次检查避免获取锁。然而，由于 volatile 关键字可能会带来额外的内存屏障开销，对性能也有一定影响。