【Java】设计模式【1.1】-- 你想如何破坏单例模式?
[TOC]
1.单例是什么?
单例模式:是一种创建型设计模式,目的是保证全局一个类只有一个实例对象,分为懒汉式和饿汉式。所谓懒汉式,类似于懒加载,需要的时候才会触发初始化实例对象。而饿汉式正好相反,项目启动,类加载的时候,就会创建初始化单例对象。
1.1 优点
如果只有一个实例,那么就可以少占用系统资源,节省内存,访问也会相对较快。比较灵活。
1.2 缺点
不能使用在变化的对象上,特别是不同请求会造成不同属性的对象。由于Spring
本身默认实例就是单例的,所以使用的时候需要判断应用场景,要不会造成张冠李戴的现象。而往往操作引用和集合,就更不容易查找到这种诡异的问题。例如:一些配置获取,如果后期使用需要修改其值,要么定义使用单例,后期使用深拷贝,要么不要使用单例。
既然使用单例模式,那么就得想尽一切办法,保证实例是唯一的,这也是单例模式的使命。但是代码是人写的,再完美的人也可能写出不那么完美的代码,再安全的系统,也有可能存在漏洞。既然你想保证单例,那我偏偏找出方法,创建同一个类多个不同的对象呢?这就是对单例模式的破坏,到底有哪些方式可以破坏单例模式呢?主要但是不限于以下几种:
- 没有将构造器私有化,可以直接调用。
- 反射调用构造器
- 实现了
cloneable
接口 - 序列化与反序列化
2. 破坏单例的几种方法
2.1 通过构造器创建对象
一般来说,一个稍微 ✔️ 的单例模式,是不可以通过new来创建对象的,这个严格意义上不属于单例模式的破坏。但是人不是完美的,写出的程序也不可能是完美的,总会有时候疏忽了,忘记了将构造器私有化,那么外部就可以直接调用到构造器,自然就可以破坏单例模式,所以这种写法就是不成功的单例模式。
/*** 下面是使用双重校验锁方式实现单例
*/
public class Singleton{
private volatile static Singleton singleton;
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
上面就是使用双重检察锁的方式,实现单例模式,但是忘记了写private
的构造器,默认是有一个public
的构造器,如果调用会怎么样呢?
public static void main(String[] args) {Singleton singleton = new Singleton();
Singleton singleton1 = new Singleton();
System.out.println(singleton.hashCode());
System.out.println(singleton1.hashCode());
System.out.println(Singleton.getSingleton().hashCode());
}
运行的结果如下:
6924040361554874502
1846274136
三个对象的hashcode
都不一样,所以它们不是同一个对象,这样也就证明了,这种单例写法是不成功的。
2.2 反射调用构造器
如果单例类已经将构造方法声明成为private
,那么暂时无法显式的调用到构造方法了,但是真的没有其他方法可以破坏单例了么?
答案是有!也就是通过反射调用构造方法,修改权限。
比如一个看似完美的单例模式:
import java.io.Serializable;public class Singleton{
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton(){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
测试代码如下:
import java.lang.reflect.Constructor;public class SingletonTests {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton singleton = Singleton.getSingleton();
Singleton singleton1=Singleton.getSingleton();
Constructor constructor=Singleton.class.getDeclaredConstructor(null);
constructor.setAccessible(true);
Singleton singleton2 =(Singleton) constructor.newInstance(null);
System.out.println(singleton.hashCode());
System.out.println(singleton1.hashCode());
System.out.println(singleton2.hashCode());
}
}
运行结果:
692404036692404036
1554874502
从结果我们可以看出:放射确实可以调用到已经私有化的构造器,并且构造出不同的对象,从而破坏单例模式。
那这种情况有没有什么方法可以防止破坏呢?既然要防止破坏,肯定要防止调用私有构造器,也就是调用一次之后,再调用就报错,抛出异常。我们的单例模式可以写成这样:
import java.io.Serializable;public class Singleton {
private static int num = 0;
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton() {
synchronized (Singleton.class) {
if (num == 0) {
num++;
} else {
throw new RuntimeException("Don't use this method");
}
}
}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
测试调用方法不变,测试结果如下,反射调用的时候抛出异常了,说明能够有效阻止反射调用破坏单例的模式:
Exception in thread "main" java.lang.reflect.InvocationTargetExceptionat sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance0(Native Method)
at sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.newInstance(NativeConstructorAccessorImpl.java:62)
at sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl.newInstance(DelegatingConstructorAccessorImpl.java:45)
at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:423)
at singleton.SingletonTests.main(SingletonTests.java:11)
Caused by: java.lang.RuntimeException: Don't use this method
at singleton.Singleton.<init>(Singleton.java:15)
... 5 more
2.3 实现了cloneable接口
如果单例对象已经将构造方法声明成为private
,并且重写了构造方法,那么暂时无法调用到构造方法。但是还有一种情况,那就是拷贝,拷贝的时候是不需要经过构造方法的。但是要想拷贝,必须实现Clonable
方法,而且需要重写clone
方法。
import java.io.Serializable;public class Singleton implements Cloneable {
private static int num = 0;
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton() {
synchronized (Singleton.class) {
if (num == 0) {
num++;
} else {
throw new RuntimeException("Don't use this method");
}
}
}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
}
测试代码如下:
public class SingletonTests {public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton singleton1=Singleton.getSingleton();
System.out.println(singleton1.hashCode());
Singleton singleton2 = (Singleton) singleton1.clone();
System.out.println(singleton2.hashCode());
}
}
运行结果如下,两个对象的hashCode
不一致,也就证明了如果继承了Cloneable
接口的话,并且重写了clone()
方法,则该类的单例就可以被打破,可以创建出不同的对象。但是,这个clone
的方式破坏单例,看起来更像是自己主动破坏单例模式,什么意思?
也就是如果很多时候,我们只想要单例,但是有极少的情况,我们想要多个对象,那么我们就可以使用这种方式,更像是给自己留了一个后门,可以认为是一种良性的破坏单例的方式。
2.4 序列化破坏单例
序列化,实际上和clone
差不多,但是不一样的地方在于我们很多对象都是必须实现序列化接口的,但是实现了序列化接口之后,对单例的保证有什么风险呢?
风险就是序列化之后,再反序列化回来,对象的内容是一样的,但是对象却不是同一个对象了。不信?那就试试看:
单例定义如下:
import java.io.Serializable;public class Singleton implements Serializable {
private static int num = 0;
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton() {
synchronized (Singleton.class) {
if (num == 0) {
num++;
} else {
throw new RuntimeException("Don't use this method");
}
}
}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
测试代码如下:
import java.io.*;import java.lang.reflect.Constructor;
public class SingletonTests {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton singleton1 = Singleton.getSingleton();
ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("file"));
objectOutputStream.writeObject(singleton1);
File file = new File("tempFile");
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
Singleton singleton2 = (Singleton) objectInputStream.readObject();
System.out.println(singleton1.hashCode());
System.out.println(singleton2.hashCode());
}
}
上面的代码,先将对象序列化到文件,再从文件反序列化回来,结果如下:
20552810211198108795
结果证明:两个对象的hashCode
不一样,说明这个类的单例被破坏了。
那么有没有方法在这种情况下,防止单例的破坏呢?答案是:有!!!。
既然调用的是objectInputStream.readObject()
来反序列化,那么我们看看里面的源码,里面调用了readObject()
方法。
public final Object readObject()throws IOException, ClassNotFoundException {
return readObject(Object.class);
}
readObject()
方法,里面调用了readObject0()
方法:
private final Object readObject(Class<?> type)throws IOException, ClassNotFoundException
{
if (enableOverride) {
return readObjectOverride();
}
if (! (type == Object.class || type == String.class))
throw new AssertionError("internal error");
// if nested read, passHandle contains handle of enclosing object
int outerHandle = passHandle;
try {
// 序列化对象
Object obj = readObject0(type, false);
handles.markDependency(outerHandle, passHandle);
ClassNotFoundException ex = handles.lookupException(passHandle);
if (ex != null) {
throw ex;
}
if (depth == 0) {
vlist.doCallbacks();
}
return obj;
} finally {
passHandle = outerHandle;
if (closed && depth == 0) {
clear();
}
}
}
readObject0()
内部如下,其实是针对不同的类型分别处理:
private Object readObject0(Class<?> type, boolean unshared) throws IOException {boolean oldMode = bin.getBlockDataMode();
if (oldMode) {
int remain = bin.currentBlockRemaining();
if (remain > 0) {
throw new OptionalDataException(remain);
} else if (defaultDataEnd) {
/*
* Fix for 4360508: stream is currently at the end of a field
* value block written via default serialization; since there
* is no terminating TC_ENDBLOCKDATA tag, simulate
* end-of-custom-data behavior explicitly.
*/
throw new OptionalDataException(true);
}
bin.setBlockDataMode(false);
}
byte tc;
while ((tc = bin.peekByte()) == TC_RESET) {
bin.readByte();
handleReset();
}
depth++;
totalObjectRefs++;
try {
switch (tc) {
// null
case TC_NULL:
return readNull();
// 引用类型
case TC_REFERENCE:
// check the type of the existing object
return type.cast(readHandle(unshared));
// 类
case TC_CLASS:
if (type == String.class) {
throw new ClassCastException("Cannot cast a class to java.lang.String");
}
return readClass(unshared);
// 代理
case TC_CLASSDESC:
case TC_PROXYCLASSDESC:
if (type == String.class) {
throw new ClassCastException("Cannot cast a class to java.lang.String");
}
return readClassDesc(unshared);
case TC_STRING:
case TC_LONGSTRING:
return checkResolve(readString(unshared));
// 数组
case TC_ARRAY:
if (type == String.class) {
throw new ClassCastException("Cannot cast an array to java.lang.String");
}
return checkResolve(readArray(unshared));
// 枚举
case TC_ENUM:
if (type == String.class) {
throw new ClassCastException("Cannot cast an enum to java.lang.String");
}
return checkResolve(readEnum(unshared));
// 对象
case TC_OBJECT:
if (type == String.class) {
throw new ClassCastException("Cannot cast an object to java.lang.String");
}
return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));
// 异常
case TC_EXCEPTION:
if (type == String.class) {
throw new ClassCastException("Cannot cast an exception to java.lang.String");
}
IOException ex = readFatalException();
throw new WriteAbortedException("writing aborted", ex);
case TC_BLOCKDATA:
case TC_BLOCKDATALONG:
if (oldMode) {
bin.setBlockDataMode(true);
bin.peek(); // force header read
throw new OptionalDataException(
bin.currentBlockRemaining());
} else {
throw new StreamCorruptedException(
"unexpected block data");
}
case TC_ENDBLOCKDATA:
if (oldMode) {
throw new OptionalDataException(true);
} else {
throw new StreamCorruptedException(
"unexpected end of block data");
}
default:
throw new StreamCorruptedException(
String.format("invalid type code: %02X", tc));
}
} finally {
depth--;
bin.setBlockDataMode(oldMode);
}
}
可以看到处理对象的时候,调用了readOrdinaryObject()
方法,好家伙来了:
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)throws IOException
{
if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {
throw new InternalError();
}
ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
desc.checkDeserialize();
Class<?> cl = desc.forClass();
if (cl == String.class || cl == Class.class
|| cl == ObjectStreamClass.class) {
throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
}
Object obj;
try {
// 反射
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
} catch (Exception ex) {
throw (IOException) new InvalidClassException(
desc.forClass().getName(),
"unable to create instance").initCause(ex);
}
passHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : obj);
ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
if (resolveEx != null) {
handles.markException(passHandle, resolveEx);
}
if (desc.isExternalizable()) {
readExternalData((Externalizable) obj, desc);
} else {
readSerialData(obj, desc);
}
handles.finish(passHandle);
// 如果实现了hasReadResolveMethod()方法
if (obj != null &&
handles.lookupException(passHandle) == null &&
desc.hasReadResolveMethod())
{
// 执行hasReadResolveMethod()方法
Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
rep = cloneArray(rep);
}
if (rep != obj) {
// Filter the replacement object
if (rep != null) {
if (rep.getClass().isArray()) {
filterCheck(rep.getClass(), Array.getLength(rep));
} else {
filterCheck(rep.getClass(), -1);
}
}
handles.setObject(passHandle, obj = rep);
}
}
return obj;
}
从上面的diamante可以看出,底层是通过反射来实现序列化的,那我们如果不希望它进行反射怎么办?然后可以看到反射之后,其实有一个查找readResolveMethod()
方法有关,如果有实现readResolveMethod()
,那就直接调用该方法返回结果,而不是返回反射调用之后的结果。这样虽然反射了,但是不起作用。
那要是我们重写readResolveMethod()
方法,就可以直接返回我们的对象,而不是返回反射之后的对象了。
试试?
我们将单例模式改造成为这样:
import java.io.Serializable;public class Singleton implements Serializable,Cloneable {
private static int num = 0;
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton() {
synchronized (Singleton.class) {
if (num == 0) {
num++;
} else {
throw new RuntimeException("Don't use this method");
}
}
}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
// 阻止反序列反射生成对象
private Object readResolve() {
return singleton;
}
}
测试代码不变,结果如下,事实证明确实是这样,反序列化不会重新反射对象了,一直是同一个对象,问题完美解决了。
20552810212055281021
3. 小结
一个稍微完美的单例,是不会让别人调用构造器的,但是private
的构造器,并不能完全阻止对单例的破坏,如果使用反射还是可以非法调用到构造器,因为我们需要一个次数,构造器如果调用次数过多,那么就直接报错。
但是有时候我们希望留个小后门,所以我们大部分时候不可以破坏单例模式。通过实现cloneable
的方式,重写了clone()
方法,就可以做到,生成不同的对象。
序列化和clone()
,有点像,都是主动提供破坏的方法,但是很多时候不得已提供序列化接口,却不想被破坏,这个时候可以通过重写readResolve()
方法,直接返回对象,不返回反射生成的对象,保护了单例模式不被破坏。
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