在 Go 语言的并发编程中，常常会遇到需要确保某个操作仅执行一次的场景。sync.Once 是 Go 标准库中的一个简单而强大的工具，专门用于解决这种需求。本文将深入解析 sync.Once 的使用方法和原理，帮助你更好地理解 sync.Once 在并发控制中的用法。

sync.Once

sync.Once 是 Go 语言 sync 包中的一种同步原语。它可以确保一个操作（通常是一个函数）在程序的生命周期中只被执行一次，不论有多少 goroutine 同时调用该操作，这就保证了并发安全。

根据 sync.Once 的特点，很容易想到它的几种常见使用场景：

  • 单例模式：确保某个对象或配置仅初始化一次，例如使用单例模式初始化数据库连接池、配置文件加载等。
  • 懒加载：在需要时才加载某些资源，且保证它们只会加载一次。
  • 并发安全的初始化：当初始化过程涉及多个 goroutine 时，使用 sync.Once 保证初始化函数不会被重复调用。

快速上手

sync.Once 用法非常简单，示例如下：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	var once sync.Once
	onceBody := func() {
		fmt.Println("Only once")
	}
	done := make(chan bool)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			once.Do(onceBody)
			done <- true
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		<-done
	}
}

首先使用 var once sync.Once 声明了一个 sync.Once 类型的变量 once，但不必显式初始化，这也是 sync 下很多包的惯用法。

然后定义了一个函数 onceBody，接着启动 10 个 goroutine 并发调用 once.Do(onceBody)，最终等待所有 goroutine 执行结束并退出。

执行示例代码，得到如下输出：

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$ go run once/main.go 
Only once

和预期一样，once.Do 能够保证传递给它的函数 onceBody 只被执行一次。

其实就算不启用多个 goroutine，直接在主 goroutine 中调用多次 once.Do(onceBody)，也能保证只执行一次：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	var once sync.Once
	onceBody := func() {
		fmt.Println("Only once")
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		once.Do(onceBody)
	}
}

执行示例代码，得到如下输出：

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$ go run once/main.go 
Only once

执行结果也是一样的，仅会执行一次。

至此，我们就学会了如何使用 sync.Onec。以上就是 sync.Onec 提供的全部 API 了，没错它仅对外暴露了一个 Do 方法。

现在，我想你应该知道如何使用 sync.Onec 来实现单例模式了，我在另一篇文章《Go 常见设计模式之单例模式》中也有讲解。

详细介绍

我们快速上手了 sync.Onec 的使用方法，下面我们来看下 Go 官方是如何介绍 sync.Onec 的。

Go 官方文档 对 sync.Once 的介绍只有简单三句话：

Once is an object that will perform exactly one action.

A Once must not be copied after first use.

In the terminology of the Go memory model, the return from f “synchronizes before” the return from any call of once.Do(f).

意思是说：

Once 是一个对象，它会确保某个操作只执行一次。

在首次使用后，Once 对象不能被复制。

根据 Go 内存模型的术语，f 函数的返回 “synchronizes before“ 于 once.Do(f) 的任何调用返回。

首先第一句话中所说的只执行一次的特性我们已经见识过了。

对于第二句话中的 Once 对象不能被复制，其实 sync 中很多对象都有这个特性，在我们稍后阅读源码时会有体现。

而第三句话不太好理解，实际上它想表达的是，在使用 sync.Once 的 Do 方法执行 f 函数后，f 的结果会对所有调用 once.Do(f) 的其他 goroutine 可见。这种“先行发生”（synchronizes before）的保证意味着，f 的执行结果会在所有调用 once.Do(f) 的 goroutine 中同步，因此所有 goroutine 都能获得一致的结果。

具体来说：

  • 当 f 函数在一个 goroutine 中被 once.Do(f) 首次调用时，f 会执行，并保证它的效果在内存中对其他 goroutine 可见。
  • 之后的所有 once.Do(f) 调用都不会重新执行 f，但它们会“同步” f 的结果，确保 f 的结果已经生效，并对调用它们的 goroutine 可见。

这样，sync.Once 可以在多 goroutine 场景中安全地执行初始化等需要确保一次性操作的函数，而无需担心数据不一致的问题。

此外我们还需要注意一点，once.Do(f) 接收的函数 f 是没有返回值，所以所说 f 函数的执行的效果是指它执行的副作用。

如下示例就是利用 f 函数执行的副作用来修改变量 i 的值：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	var once sync.Once
	var i = 10
	onceBody := func() {
		i *= 2
	}
	done := make(chan bool)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			once.Do(onceBody)
			done <- true
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		<-done
	}
	fmt.Println("i", i)
}

执行示例代码，得到如下输出：

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$ go run once/main.go
i 20

f 函数对变量 i 的值影响仅有一次。

源码解读

接下来我们再来看下 sync.Onec 源码，学习下它是如何实现的：

https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/once.go

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// Copyright 2009 The Go Authors. All rights reserved.
// Use of this source code is governed by a BSD-style
// license that can be found in the LICENSE file.

package sync

import (
	"sync/atomic"
)

// Once is an object that will perform exactly one action.
//
// A Once must not be copied after first use.
//
// In the terminology of [the Go memory model],
// the return from f “synchronizes before”
// the return from any call of once.Do(f).
//
// [the Go memory model]: https://go.dev/ref/mem
type Once struct {
	// done indicates whether the action has been performed.
	// It is first in the struct because it is used in the hot path.
	// The hot path is inlined at every call site.
	// Placing done first allows more compact instructions on some architectures (amd64/386),
	// and fewer instructions (to calculate offset) on other architectures.
	done atomic.Uint32
	m    Mutex
}

// Do calls the function f if and only if Do is being called for the
// first time for this instance of [Once]. In other words, given
//
//	var once Once
//
// if once.Do(f) is called multiple times, only the first call will invoke f,
// even if f has a different value in each invocation. A new instance of
// Once is required for each function to execute.
//
// Do is intended for initialization that must be run exactly once. Since f
// is niladic, it may be necessary to use a function literal to capture the
// arguments to a function to be invoked by Do:
//
//	config.once.Do(func() { config.init(filename) })
//
// Because no call to Do returns until the one call to f returns, if f causes
// Do to be called, it will deadlock.
//
// If f panics, Do considers it to have returned; future calls of Do return
// without calling f.
func (o *Once) Do(f func()) {
	// Note: Here is an incorrect implementation of Do:
	//
	//	if o.done.CompareAndSwap(0, 1) {
	//		f()
	//	}
	//
	// Do guarantees that when it returns, f has finished.
	// This implementation would not implement that guarantee:
	// given two simultaneous calls, the winner of the cas would
	// call f, and the second would return immediately, without
	// waiting for the first's call to f to complete.
	// This is why the slow path falls back to a mutex, and why
	// the o.done.Store must be delayed until after f returns.

	if o.done.Load() == 0 {
		// Outlined slow-path to allow inlining of the fast-path.
		o.doSlow(f)
	}
}

func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done.Load() == 0 {
		defer o.done.Store(1)
		f()
	}
}

嗯，你没看错 sync.Onec 的源码竟然如此简单，算上全部的注释和空行，也才仅有 78 行代码，而注释占了一大半行数。

首先来看 Once 结构体的定义：

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type Once struct {
	// done 指示操作是否已执行。
	// 它在结构体中位于首位（即第一个字段），因为它用于 hot path。
	// hot path 在每个调用点都进行了内联。
	// 将 done 放在首位在某些架构（如 amd64 和 386）上允许生成更紧凑的指令，
	// 而在其他架构上减少了指令数量（用于计算偏移量）。
	done atomic.Uint32
	m    Mutex
}

Once 结构体有两个属性，done 属性上的注释告诉我们它是有意被放在结构体第一个字段的，在某些架构能够减少 CPU 执行的指令数，以优化性能，作为 hot path。

关于为什么放在结构体第一个字段就能优化性能，简单一句话来解释就是，第一个字段与结构体本身的指针地址是相同的，访问 Once 结构体无需指针偏移操作，就可以直接操作 done 属性。hot path 更多解释的细节，我在另一篇文章《Go 语言中的结构体内存对齐你了解吗？》中有所讲解，你可以跳转过去查看。

另外 done 属性是 atomic.Uint32 类型，我们顺便来看下 atomic.Uint32 是如何定义的：

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// A Uint32 is an atomic uint32. The zero value is zero.
type Uint32 struct {
	_ noCopy
	v uint32
}

// noCopy may be added to structs which must not be copied
// after the first use.
//
// See https://golang.org/issues/8005#issuecomment-190753527
// for details.
//
// Note that it must not be embedded, due to the Lock and Unlock methods.
type noCopy struct{}

// Lock is a no-op used by -copylocks checker from `go vet`.
func (*noCopy) Lock()   {}
func (*noCopy) Unlock() {}

这里有一个特殊字段 _ noCopy，标识这个结构体不可复制，所以这也就是为什么前文中提到 Once 对象不能被复制的原因了。

使用 noCopy 字段来标识结构体不可复制，是 Go 语言中的惯用法，我在另一篇文章《Go 中空结构体惯用法，我帮你总结全了！》中有讲解。

Once 结构体的 n 属性没什么好说的，就是一个互斥锁 Mutex。

接下来看Do 方法的实现：

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func (o *Once) Do(f func()) {
	// 注意：以下是一个错误的 Do 实现：
	//
	//	if o.done.CompareAndSwap(0, 1) {
	//		f()
	//	}
	//
	// Do 保证当它返回时，f 已完成。
	// 上述实现不满足该保证：
    // 给定有两个同时调用的情况，谁取得了 CompareAndSwap 就会执行 f，
    // 而第二个调用会立即返回，而不会等待第一个调用的 f 完成。
	// 这就是为什么慢路径需要退回到使用互斥锁 Mutex，
	// 并且为什么 o.done.Store 必须延迟到 f 返回之后。
	
	if o.done.Load() == 0 {
		// 慢路径（slow-path）分离，以允许对快路径（fast-path）进行内联。
		o.doSlow(f)
	}
}

func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done.Load() == 0 {
		defer o.done.Store(1)
		f()
	}
}

可以看到，Do 方法内部还通过注释贴心的解释了为什么不使用 o.done.CompareAndSwap(0, 1) 的实现，而是使用 o.done.Load() + Mutex 的实现。

Do 方法处理两种 case，先是 if o.done.Load() == 0 的判断，这是一个 fast-path，如果成立，则调用 o.doSlow(f) 进入 slow-path，否则 fast-path 执行结束直接返回了。

这里简单解释下 fast-path 和 slow-path：

  • fast-path：一段针对常见操作或最佳情况进行优化的代码路径。在这条路径上，通常执行步骤最少、效率最高。所以 fast path 通常在设计上避免了昂贵的操作（如加锁、IO 操作等）以提高性能。
  • slow-path：用于处理较为罕见或复杂的情况，通常执行步骤较多、性能较低。这类路径通常在少数情况下才会被执行，比如当代码需要处理边缘情况或复杂的操作时。

所以说，Do 方法绝大多数情况下都会通过 fast-path 直接返回，只有第一次调用才会进入 o.doSlow(f) 逻辑。

在 doSlow 方法内部，先加锁，然后再一次检查了 if o.done.Load() == 0。很明显这是一个 Double-Check Locking，保证极端情况下的并发安全。我在《Go 常见设计模式之单例模式》中有讲解如何使用 Double-Check Locking 来实现单例模式，感兴趣的读者可以跳转过去查看。

现在，sync.Once 的源码就都解读完成了。

当然，细心的读者可能注意到，注释中其实写了为什么要将 slow-path 分离出来，单独定义一个函数，目的是为了对 fast-path 进行内联优化。

将 slow-path 逻辑放在单独的 doSlow 函数中可以使 Do 方法的快路径更简洁，这样还有助于 Go 编译器对 fast-path 进行内联优化（即直接嵌入到调用处），从而减少函数调用的开销，提高性能。

我们可以来验证一下内联是否生效，示例代码如下：

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package once

import "sync"

func main() {
	var once sync.Once
	once.Do(func() {
		println("Only once")
	})
}

执行 go build 时传入 -gcflags='-m' 构建参数可以查看内联情况：

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$ go build -gcflags='-m' inlining/once/main.go  
# command-line-arguments
inlining/once/main.go:7:10: can inline main.func1
inlining/once/main.go:7:9: inlining call to sync.(*Once).Do
inlining/once/main.go:7:9: inlining call to atomic.(*Uint32).Load
inlining/once/main.go:6:6: moved to heap: once
inlining/once/main.go:7:10: func literal does not escape

打印日志中出现 inlining 关键字表示 main 中调用 sync.Once.Do 方法时确实存在内联优化。

作为对比，我们再来实现一个没有将 slow-path 分离出来的 Once 版本：

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package sync

import (
	"sync"
	"sync/atomic"
)

type Once struct {
	done atomic.Uint32
	m    sync.Mutex
}

func (o *Once) Do(f func()) {
	if o.done.Load() == 0 {
		o.m.Lock()
		defer o.m.Unlock()
		if o.done.Load() == 0 {
			defer o.done.Store(1)
			f()
		}
	}
}

使用示例如下：

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package once

import "github.com/jianghushinian/blog-go-example/sync/once/inlining/myonce/sync"

func main() {
	var once sync.Once
	once.Do(func() {
		println("Only once")
	})
}

执行 go build 查看内联情况：

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$ go build -gcflags='-m' inlining/myonce/main.go
# command-line-arguments
inlining/myonce/main.go:5:6: can inline main
inlining/myonce/main.go:7:10: can inline main.func1
inlining/myonce/main.go:6:6: moved to heap: once
inlining/myonce/main.go:7:10: func literal does not escape

这一次编译器确实没有进行内联优化，可见 doSlow 函数的封装还是起了作用的。

sync.Once 就这么多功能，不过在 Go 1.21 中 Go 官方又增加了三个 sync.Once 相关函数：OnceFunc、OnceValue 和 OnceValues，来增强 sync.Once 功能，接下来我们就依次介绍下。

sync.OnceFunc

源码解读

首先我们来看一下 sync.OnceFunc 源码实现：

https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/oncefunc.go#L11

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// OnceFunc returns a function that invokes f only once. The returned function
// may be called concurrently.
//
// If f panics, the returned function will panic with the same value on every call.
func OnceFunc(f func()) func() {
	var (
		once  Once
		valid bool
		p     any
	)
	// Construct the inner closure just once to reduce costs on the fast path.
	g := func() {
		defer func() {
			p = recover()
			if !valid {
				// Re-panic immediately so on the first call the user gets a
				// complete stack trace into f.
				panic(p)
			}
		}()
		f()
		f = nil      // Do not keep f alive after invoking it.
		valid = true // Set only if f does not panic.
	}
	return func() {
		once.Do(g)
		if !valid {
			panic(p)
		}
	}
}

根据 OnceFunc 上方的代码注释可知：

  • OnceFunc 返回一个仅调用 f 一次的函数。这个返回的函数可以并发调用。
  • 如果函数 f 执行时出现 panic，则返回的函数将在每次调用时会产生同样的 panic 值。

可以发现，其实 OnceFunc 函数就是对 once.Do 的封装，不过显然它考虑了更多情况，使用 defer + recover 对 panic 进行捕获。用变量 p 暂存了 panic 信息，并且当多次调用 OnceFunc 返回函数时，都会重新 panic。

NOTE:

如果你不熟悉 defer、panic 和 recover，我在《Go 错误处理指北：Defer、Panic、Recover 三剑客》一文中对这三者进行了详细讲解，供你参考。

使用示例

sync.OnceFunc 使用示例如下：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	onceBody := sync.OnceFunc(func() {
		fmt.Println("Only once")
	})
	done := make(chan bool)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			onceBody()
			done <- true
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		<-done
	}
}

执行示例代码，得到如下输出：

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$ go run oncefunc/main.go                       
Only once

如果发生 panic 会怎样呢，我们可以尝试一下：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	onceBody := sync.OnceFunc(func() {
		panic("Only once")
	})

	for i := 0; i < 5; i++ {
		func() {
			defer func() {
				r := recover()
				fmt.Println("recover", r)
			}()
			onceBody()
		}()
	}
}

执行示例代码，得到如下输出：

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$ go run oncefunc/panic/main.go
recover Only once
recover Only once
recover Only once
recover Only once
recover Only once

作为对比，如果 sync.Once.Do 遇到 panic 又会怎样呢？示例如下：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	var once sync.Once
	onceBody := func() {
		panic("Only once")
	}

	for i := 0; i < 5; i++ {
		func() {
			defer func() {
				r := recover()
				fmt.Println("recover", r)
			}()
			once.Do(onceBody)
		}()
	}
}

执行示例代码，得到如下输出：

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$ go run once/panic/main.go
recover Only once
recover <nil>
recover <nil>
recover <nil>
recover <nil>

由此可见，可以认为 sync.OnceFunc 是比 sync.Once.Do 更好用的接口，它帮我们考虑了函数 f 发生 panic 情况，所以可以考虑优先使用这个实现。

sync.OnceValue

源码解读

我们再来看下 sync.OnceValue 源码实现：

https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/oncefunc.go#L43

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// OnceValue returns a function that invokes f only once and returns the value
// returned by f. The returned function may be called concurrently.
//
// If f panics, the returned function will panic with the same value on every call.
func OnceValue[T any](f func() T) func() T {
	var (
		once   Once
		valid  bool
		p      any
		result T
	)
	g := func() {
		defer func() {
			p = recover()
			if !valid {
				panic(p)
			}
		}()
		result = f()
		f = nil
		valid = true
	}
	return func() T {
		once.Do(g)
		if !valid {
			panic(p)
		}
		return result
	}
}

可以看到，与 OnceFunc 不同的是 OnceValue 使用了泛型，OnceValue 接收的函数 f 是带有返回值的，并且它返回的函数也带有返回值。

也就是说，相较于 OnceFunc，OnceValue 相当于是进化版，它接收的 f 函数签名不同，可以支持返回一个值，而其他的地方与 OnceFunc 实现并无区别，内部也只是多了一个使用 result T 记录返回值的逻辑。

使用示例

sync.OnceValue 使用示例如下：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	once := sync.OnceValue(func() int {
		sum := 0
		for i := 0; i < 1000; i++ {
			sum += i
		}
		fmt.Println("Computed once:", sum)
		return sum
	})
	done := make(chan bool)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			const want = 499500
			got := once()
			if got != want {
				fmt.Println("want", want, "got", got)
			}
			done <- true
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		<-done
	}
}

执行示例代码，得到如下输出：

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$ go run oncevalue/main.go 
Computed once: 499500

sync.OnceValues

源码解读

最后，我们再来看下 sync.OnceValues 源码实现：

https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/oncefunc.go#L74

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// OnceValues returns a function that invokes f only once and returns the values
// returned by f. The returned function may be called concurrently.
//
// If f panics, the returned function will panic with the same value on every call.
func OnceValues[T1, T2 any](f func() (T1, T2)) func() (T1, T2) {
	var (
		once  Once
		valid bool
		p     any
		r1    T1
		r2    T2
	)
	g := func() {
		defer func() {
			p = recover()
			if !valid {
				panic(p)
			}
		}()
		r1, r2 = f()
		f = nil
		valid = true
	}
	return func() (T1, T2) {
		once.Do(g)
		if !valid {
			panic(p)
		}
		return r1, r2
	}
}

OnceValues 与 OnceValue 的唯一区别就是它支持返回两个值，f 函数签名也变了 f func() (T1, T2)，所以我们可以想到最常见的使用方式，函数 f 返回一个 value 和一个 error，这也是 Go 函数惯用法。

使用示例

sync.OnceValues 使用示例如下：

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package main

import (
	"fmt"
	"os"
	"sync"
)

func main() {
	once := sync.OnceValues(func() ([]byte, error) {
		fmt.Println("Reading file once")
		return os.ReadFile("oncevalues/example_test.go")
	})
	done := make(chan bool)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			data, err := once()
			if err != nil {
				fmt.Println("error:", err)
			}
			_ = data // Ignore the data for this example
			done <- true
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		<-done
	}
}

执行示例代码，得到如下输出：

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2
$ go run oncevalues/main.go
Reading file once

现在，sync.Once 以及它的三个相关函数我们就都讲解完成了。

总结

sync.Once 是一个非常实用的同步工具，它以简洁高效的方式，确保操作只执行一次，避免了重复初始化的开销。在多 goroutine 调用场景下，它能提供可靠的并发控制，是 Go 并发编程中不可或缺的工具。常用于单例模式、懒加载、并发安全的初始化等场景。

Go 1.21 还发布了几个 sync.Once 相关的函数 sync.OnceFunc、sync.OnceValue 和 sync.OnceValues，来增强 sync.Once 功能。

我们可以发现一些规律：

  • sync.Once.Do 是 sync.Once 暴露的唯一接口，对于参数 f 函数确保仅执行一次。
  • 而 sync.OnceFunc、sync.OnceValue 和 sync.OnceValues，三者是对 sync.Once 的封装，都能实现 once 的功能，并且这三者对 f 函数产生 panic 的情况进行了处理，保证多次调用它们都能产生同样的 panic。
  • sync.Once.Do 和 sync.OnceFunc 接收的参数 f 函数，无参数无返回值。
  • sync.OnceValue 接收的参数 f 函数有 1 个返回值。
  • sync.OnceValues 接收的参数 f 函数有 2 个返回值。

本文示例源码我都放在了 GitHub 中，欢迎点击查看。

希望此文能对你有所启发。

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