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单例模式的创建、破坏和防破坏

2022-06-11 116
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简介： 单例模式的创建、破坏和防破坏

前言


大家所熟知的单例模式只能创建唯一一个实例，今天我们介绍几种常见的单例模式，同时说一说如何破坏单例模式，同时又怎么来防破坏。


单例模式


     单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

     这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。


1、单例类只能有一个实例。

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。


单例模式的几种实现方式


懒汉式，线程不安全


下面的懒汉式是线程不安全的，支持懒加载，因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。


样例代码：


public class Singleton{
  private static Singleton instance;
  private Singleton(){
  }
  public static Singleton getInstance(){
      if(instance == null){
          return new Singleton();
      }
      return instance;
  }
}

懒汉式，线程安全


下面的这种方式可以保证线程安全，支持懒加载，优点是第一次调用才初始化，避免内存浪费。缺点是必须加锁synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。


样例代码：


public class Singleton{
  private static Singleton instance;
  private Singleton(){
  }
  public static synchronized Singleton getInstance(){
      if(instance == null){
          return new Singleton();
      }
      return instance;
  }
}

饿汉式


饿汉式，比较常用，但是容易参生垃圾对象，这种方式不支持懒加载，线程安全，优点是没有加锁，执行效率会提高。缺点是类加载时就初始化，浪费内存。


样例代码：


public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){
    }  
    public static Singleton getInstance() {  
      return instance;  
    }  
}

双检锁/双重校验锁


这种方式支持懒加载，线程安全，这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。


样例代码：


public class Singleton {  
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton(){
    }
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    } 
}

登记式/静态内部类


这种方式支持懒加载，线程安全，这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。


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

枚举


这种实现方式不支持懒加载，线程安全，不过还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。


public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

模拟一个数据库连接类：


public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
    private DBConnection connection = null;
    SingletonEnum(){
        connection = new DBConnection();
    }
    public DBConnection getConnection(){
        return connection;
    }
}

public class DBConnection{
}

public class TestConnection {
    public static void main(String[] args) {
        DBConnection con1 = DataSourceEnum.DATASOURCE.getConnection();
        DBConnection con2 = DataSourceEnum.DATASOURCE.getConnection();
        System.out.println(con1 == con2); //输出结果为true。
    }
}

破坏单例模式


破坏单例模式主要有两种方法：反射、反序列化


我们就拿最经典的饿汉式来演示破坏和防破坏。


未破坏的情况


Singleton：

/**
 * Keafmd
 *
 * @ClassName: Singleton
 * @Description: 单例模式
 * @author: 牛哄哄的柯南
 * @date: 2021-09-07 10:53
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton (){
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

测试类（未破坏）：


/**
 * Keafmd
 *
 * @ClassName: SigletonTest
 * @Description: 测试类
 * @author: 牛哄哄的柯南
 * @date: 2021-09-07 11:04
 */
public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance(); 
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1); //com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
        System.out.println(instance2); //com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
        System.out.println(instance1==instance2); //true
    }
}

破坏后的情况


Singleton：（不改变）


/**
 * Keafmd
 *
 * @ClassName: Singleton
 * @Description: 单例模式
 * @author: 牛哄哄的柯南
 * @date: 2021-09-07 10:53
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton (){
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

测试类（通过反射破坏）：


package com.keafmd.Study.designPatterns.Blog;
import java.lang.annotation.Annotation;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
/**
 * Keafmd
 *
 * @ClassName: SigletonTest
 * @Description: 测试类
 * @author: 牛哄哄的柯南
 * @date: 2021-09-07 11:04
 */
public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1); //com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
        System.out.println(instance2); //com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
        System.out.println(instance1==instance2); //true
        //=====================破坏单例模式===================
        //通过反射获取实例，破坏单例
        Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        Singleton instance11 = constructor.newInstance();
        Singleton instance22 = constructor.newInstance();
        System.out.println(instance11); //com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@511d50c0
        System.out.println(instance22); //com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@60e53b93
        System.out.println(instance11==instance22); //false 证明单例模式已经被破坏
    }
}

输出结果：


com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
true
com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@511d50c0
com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@60e53b93
false
Process finished with exit code 0

这种破坏是通过java的反射机制，创建一个实例，这种破坏方法通过setAccessible(true)的方法是java跳过检测语法，可以临时改变访问权限，就可以获取私有成员变量。


单例模式的防破坏


其实防止破坏最简单的一种方式就是判断下有没有创建过实例，如果是第二次创建实例对象的时候，直接抛出异常，阻止创建即可。


重写Singleton类：


package com.keafmd.Study.designPatterns.Blog;
/**
 * Keafmd
 *
 * @ClassName: Singleton
 * @Description: 单例模式
 * @author: 牛哄哄的柯南
 * @date: 2021-09-07 10:53
 */
public class Singleton {
    //阻止实例化
    private static boolean flag=true;
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton (){
        if(!flag){
            throw new RuntimeException("这个单例模式类不能创建更多的对象了");
        }
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if(flag){
            flag=false; //第一次创建时就会改变flag的值，导致后面创建不成功
        }
        return instance;
    }
}

测试类（未改变）：


package com.keafmd.Study.designPatterns.Blog;
import java.lang.annotation.Annotation;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
/**
 * Keafmd
 *
 * @ClassName: SigletonTest
 * @Description: 测试类
 * @author: 牛哄哄的柯南
 * @date: 2021-09-07 11:04
 */
public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance2);
        System.out.println(instance1==instance2);
        //=====================破坏单例模式===================
        //通过反射获取实例，破坏单例
        Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        Singleton instance11 = constructor.newInstance();
        Singleton instance22 = constructor.newInstance();
        System.out.println(instance11);
        System.out.println(instance22);
        System.out.println(instance11==instance22);
    }
}

输出结果：


com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton@610455d6
true
Exception in thread "main" java.lang.reflect.InvocationTargetException
  at 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 com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.SingletonTest.main(SingletonTest.java:28)
Caused by: java.lang.RuntimeException: 这个单例模式类不能创建更多的对象了
  at com.keafmd.Study.designPatterns.Blog.Singleton.<init>(Singleton.java:28)
  ... 5 more
Process finished with exit code 1

这样在执行到Singleton instance22 = constructor.newInstance();这行的时候就会抛出异常，这样就防止了破坏。


文章标签：
Java
安全
数据库连接
设计模式
牛哄哄的柯南8151
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