为什么说Enum实现单例模式是最佳实践

众所周知，单例的实现有很多方式。从单例加载的时机区分，有懒汉模式、饿汉模式。而从实现方式区分有双重检查模式，内部类模式、Enum模式、Map模式等。在《Effective Java》中，作者提出利用Enum是实现单例模式的最佳实践。研究了下Enum反编译源码，就一切都清楚了。本文针对此问题做些总结。

内容概要

  1. 实现单例模式的几个关键点
  2. 利用Enum实现单例模式
  3. 结论

实现单例模式的几个关键点

为了实现单例模式，其核心就是确保单例对象的唯一性。需要重点关注几个关键点。

  • 无法通过new来随意创建对象，构造函数为private
  • 提供获取唯一实例对象的方法，通常是getInstance
  • 多线程并发的情况下保证唯一
  • 避免反射创建单例对象（反射攻击）
  • 避免通过序列化创建单例对象（如果单例类实现了Serializable）（序列化攻击）

利用Enum实现单例模式

利用Enum的天然属性，可以有效的保证上面的几个关键点。它属于饿汉模式的单例实现。下面先看看实现代码及其反编译代码。

实现代码

下面列出Java实现代码及其反编译代码，从中找出单例模式的几个关键点。看看Enum是如何保证的。

Java代码

/**
 * 使用枚举实现单例。
 */
public enum EnumSingleton {
    INSTANCE; // 唯一的实例对象

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
    
    // 单例对象的属性对象
    private Object obj = new Object();

    public Object getObj() {
        return obj;
    }

    /**
     * 单例提供的对外服务。
     */
    public Object getFactoryService() {
        return new Object();
    }
}

反编译代码

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   EnumSingleton.java

package com.ws.pattern.singleton;


public final class EnumSingleton extends Enum
{

    public static EnumSingleton[] values()
    {
        return (EnumSingleton[])$VALUES.clone();
    }

    public static EnumSingleton valueOf(String name)
    {
        return (EnumSingleton)Enum.valueOf(com/ws/pattern/singleton/EnumSingleton, name);
    }
    
    // 无法通过new来随意创建对象，构造函数为private.
    private EnumSingleton(String s, int i)
    {
        super(s, i);
        obj = new Object();
    }

    // 提供获取唯一实例对象的方法，通常是getInstance
    public static EnumSingleton getInstance()
    {
        return INSTANCE;
    }

    public Object getObj()
    {
        return obj;
    }

    public Object getFactoryService()
    {
        return new Object();
    }

    // 提供获取唯一实例对象的方法，通常是getInstance
    // 也可以直接获取到INSTANCE，但是获取到的都是一个对象
    public static final EnumSingleton INSTANCE;
    private Object obj;
    private static final EnumSingleton $VALUES[];

    // 静态代码中实例化对象，多线程并发的情况下保证唯一，属于饿汉模式
    static 
    {
        INSTANCE = new EnumSingleton("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new EnumSingleton[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

从反编译代码中我们可以看到Enum的本质：

  • 枚举本质上是个final类
  • 定义的枚举值实际上就是一个枚举类的不可变对象（比如这里的INSTANCE）
  • 在Enum类加载的时候，就已经实例化了这个对象
  • 无法通过new来创建枚举对象

Enum实现单例模式的几个关键点验证

在反编译代码中，对前三个关键点已经做了明确的保证，下面看看后面两个序列化攻击和反射攻击是如何保证的。

1.避免反射创建单例对象（反射攻击）

从反编译代码中，我们可以看到，枚举的私有构造函数如下所示：

private EnumSingleton(String s, int i)

那我们来尝试利用反射创建对象。

/**
 * 反射攻击。
 * 由于Enum天然的不允许反射创建实例，所以可以完美的防范反射攻击。
 */
private static void reflectionAttack() {
    System.out.println("反射攻击单例对象-----------开始");

    try {
        Constructor con = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
        con.setAccessible(true);
        Object obj = con.newInstance("INSTANCE", 0); // 反射新建对象以破坏单例
        System.out.println(obj);
        System.out.println(EnumSingleton.getInstance());
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }

    System.out.println("反射攻击单例对象-----------结束");
}

上看的代码运行后，会抛出异常"java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects"。如下所示：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
    at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:416)
    at com.ws.pattern.singleton.EnumSingletonAppMain.reflectionAttack(EnumSingletonAppMain.java:43)
    at com.ws.pattern.singleton.EnumSingletonAppMain.main(EnumSingletonAppMain.java:9)

从异常可以看出来，newInstance抛出了异常。推测Java反射是不允许创建Enum对象的，看看源码Constructor.java中的newInstance方法，存在处理Enum类型实例化的一行判断代码<code>if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)</code>，满足这个条件就抛出异常。newInstance的JDK代码如下：

public T newInstance(Object ... initargs)
    throws InstantiationException, IllegalAccessException,
           IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
    if (!override) {
        if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
            checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
        }
    }
    if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
        throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
    ConstructorAccessor ca = constructorAccessor;   // read volatile
    if (ca == null) {
        ca = acquireConstructorAccessor();
    }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    T inst = (T) ca.newInstance(initargs);
    return inst;
}

原来反射机制不允许实例化Enum类型的对象，自然挡住了反射攻击。

2.避免通过序列化创建单例对象（如果单例类实现了Serializable）（序列化攻击）

序列化对象后，如果执行反序列化，也可以创建一个对象。利用此机制来尝试创建一个新的Enum对象。

/**
 * 序列化攻击
 * 需要在单例类中增加read
 */
private static void serializableAttack() {
    System.out.println("序列化攻击单例对象-----------开始");
    EnumSingleton singleton = EnumSingleton.getInstance();
    System.out.println(singleton);
    try {
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("./EnumSingleton.out"));
        oos.writeObject(singleton);
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream((new FileInputStream("./EnumSingleton.out")));
        Object obj = ois.readObject(); // 这里利用反序列化创建对象
        System.out.println(obj);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("序列化攻击单例对象-----------结束");
}

从执行结果来看，拿到了相同的对象。执行结果如下：

序列化攻击单例对象-----------开始
INSTANCE
INSTANCE
序列化攻击单例对象-----------结束

来撸代码吧，跟踪进入<code>ois.readObject()</code>，会进入ObjectInputStream.readObject0方法。其中会解析class的二进制，根据class的文件定义，分别解析不同类型的字段。重点关注<code>case TC_ENUM:</code>如下所示：

switch (tc) {
    case TC_NULL:
        return readNull();

    case TC_REFERENCE:
        return readHandle(unshared);

    case TC_CLASS:
        return readClass(unshared);

    case TC_CLASSDESC:
    case TC_PROXYCLASSDESC:
        return readClassDesc(unshared);

    case TC_STRING:
    case TC_LONGSTRING:
        return checkResolve(readString(unshared));

    case TC_ARRAY:
        return checkResolve(readArray(unshared));

    case TC_ENUM:
        return checkResolve(readEnum(unshared));

    case TC_OBJECT:
        return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));

    case TC_EXCEPTION:
        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));
}

进入<code>readEnum</code>方法，重点关注<code>Enum.valueOf</code>方法。如下所示：

/**
 * Reads in and returns enum constant, or null if enum type is
 * unresolvable.  Sets passHandle to enum constant's assigned handle.
 */
private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
    if (bin.readByte() != TC_ENUM) {
        throw new InternalError();
    }

    ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
    if (!desc.isEnum()) {
        throw new InvalidClassException("non-enum class: " + desc);
    }

    int enumHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : null);
    ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
    if (resolveEx != null) {
        handles.markException(enumHandle, resolveEx);
    }

    String name = readString(false);
    Enum<?> result = null;
    Class<?> cl = desc.forClass();
    if (cl != null) {
        try {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name); // 这里根据name和class拿到Enum实例。这里的name="INSTANCE"
            result = en;
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw (IOException) new InvalidObjectException(
                "enum constant " + name + " does not exist in " +
                cl).initCause(ex);
        }
        if (!unshared) {
            handles.setObject(enumHandle, result);
        }
    }

    handles.finish(enumHandle);
    passHandle = enumHandle;
    return result;
}

再跟进<code>Enum.valueOf</code>方法。代码如下：

    /**
     * Returns the enum constant of the specified enum type with the
     * specified name.  The name must match exactly an identifier used
     * to declare an enum constant in this type.  (Extraneous whitespace
     * characters are not permitted.)
     *
     * <p>Note that for a particular enum type {@code T}, the
     * implicitly declared {@code public static T valueOf(String)}
     * method on that enum may be used instead of this method to map
     * from a name to the corresponding enum constant.  All the
     * constants of an enum type can be obtained by calling the
     * implicit {@code public static T[] values()} method of that
     * type.
     *
     * @param <T> The enum type whose constant is to be returned
     * @param enumType the {@code Class} object of the enum type from which
     *      to return a constant
     * @param name the name of the constant to return
     * @return the enum constant of the specified enum type with the
     *      specified name
     * @throws IllegalArgumentException if the specified enum type has
     *         no constant with the specified name, or the specified
     *         class object does not represent an enum type
     * @throws NullPointerException if {@code enumType} or {@code name}
     *         is null
     * @since 1.5
     */
    public static <T extends Enum<T>> T valueOf(Class<T> enumType,
                                                String name) {
        // 从enumConstantDirectory()中根据name获取对象
        T result = enumType.enumConstantDirectory().get(name);
        if (result != null)
            return result;
        if (name == null)
            throw new NullPointerException("Name is null");
        throw new IllegalArgumentException(
            "No enum constant " + enumType.getCanonicalName() + "." + name);
    }

<code>enumConstantDirectory()</code>是Class的方法，其本质是从Class.java的<code>enumConstantDirectory</code>属性中获取。代码如下：

private volatile transient Map<String, T> enumConstantDirectory = null;

也就是说，Enum中定义的Enum成员值都被缓存在了这个Map中，Key是成员名称（比如“INSTANCE”），Value就是Enum的成员对象。这样的机制天然保证了取到的Enum对象是唯一的。即使是反序列化，也是一样的。

结论

经过上面的分析，枚举的实现天然地支持了单例模式的特点，大大降低了单例的开发难度。

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