单例模式 → 破坏 → 阻止破坏

单例常用实现

  • 懒汉 线程不安全
  • 饿汉 基于static 线程安全
    a. 静态成员变量
    b. 静态块儿
    c. 静态内部类
  • 枚举:基于static 线程安全

  • a. AtomicReference CAS乐观锁
    优点:不需要使用传统的锁机制来保证线程安全,CAS是一种基于忙等待的算法,依赖底层硬件的实现,相对于锁它没有线程切换和阻塞的额外消耗,可以支持较大的并行度。
    缺点:如果忙等待一直执行不成功(一直在死循环中),会对CPU造成较大的执行开销。
    b. synchronized 排他锁
  1. ThreadLocal 线程安全 单例有点牵强

破坏单例: 反射、序列化

  1. 反射
    原理:通过反射获取默认构造函数实例化
  2. 反序列化
    原理:根据 Object 构造函数反射生成。
    步骤:
    - readObject()
    - readObject0(false)
    - readOrdinaryObject()  // 关键方法
        obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
    - newInstance()
        Object ob = in.readObject(); // 反序列化为 Object
        Target target = (Target) ob; // 强转为目标对象 Target
    

阻止破坏单例:

  1. 针对反射的情况:
    构造函数中增加标志位,使构造函数仅能被调用一次
  2. 针对反序列化的情况:
    在单例类中实现readResolve() 方法。参考 readOrdinaryObject() 实现。

多种单例模式、破坏单例模式、组织破坏单例模式

public class ModeSingleton {
    /**
     * 通过反射,破坏单例模式
     */
    static void destroySingletonByReflect() throws Exception {
        SingletonOfHungary singleton = SingletonOfHungary.getInstance();
        SingletonOfHungary newInstance;

        Class<SingletonOfHungary> clazz = SingletonOfHungary.class;
        // 获取默认构造函数
        Constructor<SingletonOfHungary> declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        // 默认构造函数可访问
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        // 创建对象
        newInstance = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println("singleton.hashCode: " + singleton.hashCode());
        System.out.println("newInstance.hashCode: " + newInstance.hashCode());
    }

    /**
     * 通过反序列化,破坏单例模式
     */
    static void destroySingletonByDeSerialize() throws Exception {
        SingletonOfHungary singleton = SingletonOfHungary.getInstance();
        SingletonOfHungary newInstance;

        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tmp"));
        out.writeObject(singleton);

        File file = new File("tmp");
        ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        //调用readObject()反序列化
        newInstance = (SingletonOfHungary) in.readObject();
        System.out.println("singleton.hashCode: " + singleton.hashCode());
        System.out.println("newInstance.hashCode: " + newInstance.hashCode());
    }

    /**
     * 阻止 反射破坏单例。加构造函数标志位
     */
    static void stopReflectDestroy() throws Exception {
        SingletonOfInnerStatic singleton = SingletonOfInnerStatic.getInstance();
        SingletonOfInnerStatic newInstance;

        Class<SingletonOfInnerStatic> clazz = SingletonOfInnerStatic.class;
        // 获取默认构造函数
        Constructor<SingletonOfInnerStatic> declaredConstructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        // 默认构造函数可访问
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        // 创建对象
        newInstance = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println("singleton.hashCode: " + singleton.hashCode());
        System.out.println("newInstance.hashCode: " + newInstance.hashCode());
    }

    /**
     * 阻止 反序列化破坏单例。实现 readResolve()
     */
    static void stopDeSerializeDestroy() throws Exception{
        SingletonOfInnerStatic singleton = SingletonOfInnerStatic.getInstance();
        SingletonOfInnerStatic newInstance;

        ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tmp"));
        out.writeObject(singleton);

        File file = new File("tmp");
        ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        //调用readObject()反序列化
        newInstance = (SingletonOfInnerStatic) in.readObject();
        System.out.println("singleton.hashCode: " + singleton.hashCode());
        System.out.println("newInstance.hashCode: " + newInstance.hashCode());
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("反射,破坏单例模式:");
        destroySingletonByReflect();
        System.out.println("反序列化,破坏单例模式:");
        destroySingletonByDeSerialize();
        System.out.println("阻止 反射破坏单例:");
        stopReflectDestroy();
        System.out.println("阻止 反序列化破坏单例");
        stopDeSerializeDestroy();
    }
}

/**
 * 懒汉 延迟初始化 - 不安全
 */
class SingletonOfLazy {

    private static SingletonOfLazy instance;

    private SingletonOfLazy() {
    }

    public static SingletonOfLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonOfLazy();
        }
        return instance;
    }
}

/**
 * 饿汉.静态成员变量 类加载时初始化 - 线程安全
 */
class SingletonOfHungary implements Serializable {

    private static SingletonOfHungary instance = new SingletonOfHungary();

    private SingletonOfHungary() {
    }

    public static SingletonOfHungary getInstance() {
        return instance;
    }
}

/**
 * 饿汉.静态块初始化静态成员变量 类加载时初始化 - 线程安全
 */
class SingletonOfInnerStatic implements Serializable{

    private static SingletonOfInnerStatic instance;

    //申明一个标志位,用于标志构造函数是否被调用过
    private static boolean alreadyExist;

    static {
        instance = new SingletonOfInnerStatic();
        alreadyExist = true;
    }

    private SingletonOfInnerStatic() {
        if (alreadyExist) {
            System.out.println("单例模式不能破坏,已存在此单例!");
        }
    }

    public static SingletonOfInnerStatic getInstance() {
        return instance;
    }

    public Object readResolve() {
        return instance;
    }
}

/**
 * 饿汉.静态内部类 类加载时初始化 - 线程安全
 */
class SingletonOfInnerClass {

    private SingletonOfInnerClass() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final SingletonOfInnerClass INSTANCE = new SingletonOfInnerClass();
    }

    public static SingletonOfInnerClass getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

/**
 * 枚举.枚举类的成员变量均为static 在静态代码块中实例化 - 线程安全
 */
enum SingletonOfEnum {
    INSTANCE;
}

/**
 * 乐观锁 - 线程安全
 */
class SingletonOfCAS {
    public static final AtomicReference<SingletonOfCAS> INSTANCE = new AtomicReference<>();

    private SingletonOfCAS() {
    }

    public static SingletonOfCAS getInstance() {
        for (; ; ) {
            SingletonOfCAS singleton = INSTANCE.get();
            if (null != singleton) {
                return singleton;
            }

            singleton = new SingletonOfCAS();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
                return singleton;
            }
        }
    }
}

/**
 * ThreadLocal - 线程安全
 * ThreadLocal是线程隔离的,会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。
 * 对于多线程资源共享的问题,同步机制(synchronized)采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。
 */
class SingletonOfThreadLocal {

    private SingletonOfThreadLocal() {
    }

    private static final ThreadLocal<SingletonOfThreadLocal> INSTANCE = ThreadLocal.withInitial(SingletonOfThreadLocal::new);

    public static SingletonOfThreadLocal getInstance() {
        return INSTANCE.get();
    }
}

测试结果:

反射,破坏单例模式:
singleton.hashCode: 1163157884
newInstance.hashCode: 1956725890
反序列化,破坏单例模式:
singleton.hashCode: 1163157884
newInstance.hashCode: 325040804
阻止 反射破坏单例:
单例模式不能破坏,已存在此单例!
singleton.hashCode: 1173230247
newInstance.hashCode: 856419764
阻止 反序列化破坏单例
singleton.hashCode: 1173230247
newInstance.hashCode: 1173230247

推荐 设计模式——单例模式的破坏 很详细,参考了[抱拳.jpg]

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