Java實(shí)現(xiàn)單例的難點(diǎn)

2019-11-14 14:56:22

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供稿：網(wǎng)友

有簡(jiǎn)單又高效的方法可以實(shí)現(xiàn)單例模式，但沒有一種方式能在任何情況下都確保單例的完整性。

單例模式是指某個(gè)類只被實(shí)例化一次，用來(lái)表示全局或系統(tǒng)范圍的組件。單例模式常用于日志記錄、工廠、窗口管理器和平臺(tái)組件管理等。我認(rèn)為要盡量避免使用單例模式，因?yàn)橐坏?shí)現(xiàn)就很難改變或重載，而且會(huì)造成編寫測(cè)試用例困難、代碼結(jié)構(gòu)糟糕等問題。另外，下面文章中的單例模式是不安全的。

人們花大量的精力研究怎樣更好地實(shí)現(xiàn)單例模式，但有一種簡(jiǎn)單高效的實(shí)現(xiàn)方法。然而，沒有一種方法能在任何情況下都確保單例的完整性。閱讀下文，看看你是否認(rèn)同。

Final字段

這種方法將構(gòu)造函數(shù)私有化，向外提供一個(gè)公有的static final對(duì)象：

public class FooSingleton {
    public final static FooSingleton INSTANCE = new FooSingleton();
    PRivate FooSingleton() { }
    public void bar() { }
}

類加載時(shí)，static對(duì)象被初始化，此時(shí)私有的構(gòu)造函數(shù)被第一次也是最后一次調(diào)用。即使在類初始化前有多個(gè)線程調(diào)用此類，JVM也能保證線程繼續(xù)運(yùn)行時(shí)該類已完整初始化。然而，使用反射和set accessible(true)方法，可以創(chuàng)建其他新的實(shí)例：

Constructor[] constructors = FooSingleton.class.getDeclaredConstructors();
Constructor constructor = constructors[0];
constructor.setAccessible(true);
FooSingleton spuriousFoo = (FooSingleton) constructor.newInstance(new Object[0]);

我們需要修改構(gòu)造函數(shù)，使其免于多次調(diào)用，例如當(dāng)它被再次調(diào)用時(shí)拋出異常。如下這樣修改FooSingleton構(gòu)造函數(shù)，可以防范此類攻擊：

public class FooSingleton2 {
    private static boolean INSTANCE_CREATED;
    public final static FooSingleton2 INSTANCE = new FooSingleton2();
    private FooSingleton2() {
        if (INSTANCE_CREATED) {
            throw new IllegalStateException("You must only create one instance of this class");
        } else {
            INSTANCE_CREATED = true;
        }
    }
    public void bar() { }
}

這樣看起來(lái)安全一些了，但其實(shí)要?jiǎng)?chuàng)建新的實(shí)例還是一樣容易。我們只需修改INSTANCE_CREATED字段，再玩同樣的把戲就可以了：

Field f = FooSingleton2.class.getDeclaredField("INSTANCE_CREATED");
f.setAccessible(true);
f.set(null, false);
Constructor[] constructors = FooSingleton2.class.getDeclaredConstructors();
Constructor constructor = constructors[0];
constructor.setAccessible(true);
FooSingleton2 spuriousFoo = (FooSingleton2) constructor.newInstance(new Object[0]);

我們采取的任何防范措施都可能被繞過，所以此方案并不可行。

靜態(tài)工廠

使用這種方法，公有的成員類似靜態(tài)工廠：

public class FooSingleton3 {
    public final static FooSingleton3 INSTANCE = new FooSingleton3();
    private FooSingleton3() { }
    public static FooSingleton3 getInstance() { return INSTANCE; }
    public void bar() { }
}

getInstance()方法返回的永遠(yuǎn)是同一個(gè)對(duì)象引用。雖然這個(gè)方案也無(wú)法防范反射，但還是有它的一些優(yōu)點(diǎn)。例如，可以在不改變API的情況下，改變單例的實(shí)現(xiàn)。getInstance()出現(xiàn)在幾乎所有的單例實(shí)現(xiàn)中，它也標(biāo)志著這真的是一個(gè)單例模式。

延遲加載的單例模式

（譯者注：在軟件工程中，Initialization-on-demand holder 這個(gè)習(xí)語(yǔ)指的就是延遲加載的單例模式，參見維基百科）

如果希望盡可能延遲單例的創(chuàng)建（懶漢式加載），可以使用延遲初始化方法，當(dāng)getInstance()方法第一次調(diào)用時(shí)線程安全地創(chuàng)建單例。相比之前的方案當(dāng)?shù)谝淮我迷擃悤r(shí)就創(chuàng)建單例（餓漢式加載），這是一個(gè)進(jìn)步。如下：

public class FooSingleton4 {
    private FooSingleton4() {
    }
    public static FooSingleton4 getInstance() {
        return FooSingleton4Holder.INSTANCE;
    }
    private static class FooSingleton4Holder {
        private static final FooSingleton4 INSTANCE = new FooSingleton4();
    }
}

要小心序列化

如果單例實(shí)現(xiàn)了序列化，它就要面臨另一個(gè)威脅。因此需要將所有字段聲明為transient（這樣它就不會(huì)被序列化）并提供一個(gè)自定義的readResolve()方法返回唯一實(shí)例INSTANCE的引用。

枚舉

這里用枚舉作為單例INSTANCE的容器：

public enum FooEnumSingleton {
    INSTANCE;
    public static FooEnumSingleton getInstance() { return INSTANCE; }
    public void bar() { }
}

根據(jù)java語(yǔ)言規(guī)范8.9，“Enum的final克隆方法保證枚舉永遠(yuǎn)無(wú)法被克隆，其特殊的序列化機(jī)制保證無(wú)法反序列化得到拷貝的對(duì)象。同時(shí)，還禁止利用反射對(duì)枚舉進(jìn)行實(shí)例化。保證了這四個(gè)方面，在枚舉常量之外，就不會(huì)有其他同類的枚舉實(shí)例存在。”

這樣，我們似乎很簡(jiǎn)單地就防范了序列化、克隆和反射的攻擊。第一次看到這段話，我立刻想要證明它是錯(cuò)的。如下代碼所示，繞過這些保護(hù)是很容易的：

Constructor con = FooEnumSingleton.class.getDeclaredConstructors()[0];
 Method[] methods = con.getClass().getDeclaredMethods();
 for (Method method : methods) {
     if (method.getName().equals("acquireConstructorAccessor")) {
         method.setAccessible(true);
         method.invoke(con, new Object[0]);
     }
  }
  Field[] fields = con.getClass().getDeclaredFields();
  Object ca = null;
  for (Field field : fields) {
      if (field.getName().equals("constructorAccessor")) {
          field.setAccessible(true);
          ca = field.get(con);
      }
  }
  Method method = ca.getClass().getMethod("newInstance", new Class[]{Object[].class});
  method.setAccessible(true);
  FooEnumSingleton spuriousEnum = (FooEnumSingleton) method.invoke(ca, new Object[]{new Object[]{"SPURIOUS_INSTANCE", 1}});
  printInfo(FooEnumSingleton.INSTANCE);
  printInfo(spuriousEnum);
}
private static void printInfo(FooEnumSingleton e) {
    System.out.println(e.getClass() + ":" + e.name() + ":" + e.ordinal());
}

執(zhí)行這段代碼，得到結(jié)果：

1 2	`class` `com.blogspot.minborgsjavapot.singleton.FooEnumSingleton:INSTANCE:0` `class` `com.blogspot.minborgsjavapot.singleton.FooEnumSingleton:SPURIOUS_INSTANCE:1`

枚舉的缺點(diǎn)是它無(wú)法從另一個(gè)基類繼承，因?yàn)樗呀?jīng)繼承自java.lang.Enum。如果想要模擬這種繼承，可以參考我另一篇文章中介紹的混入模式（mixin pattern）。

枚舉的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，如果你之后希望有“二例（dualton）”或“三例（tringleton）”，只需要增加新的枚舉實(shí)例即可。例如，有了一個(gè)單例的緩存之后，你也許還想給緩存引入多個(gè)層次。

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