单例模式笔记

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单例模式

饿汉式单例

public class Hungry {
    private Hungry() {

    }

    private static final Hungry HUNGRY= new Hungry();

    public static Hungry getInstance() {
        return HUNGRY;
    }

}

**单例模式中最重要的思想: **构造器私有,一旦构造器私有被人就没有办法new这个对象,保证内存中只有一个对象.

饿汉式一上来就new出来这个对象,这样就可以保证它是唯一的.再抛出一个对外的方法.

饿汉式的问题: 一上来就会把所有东西加载出来,非常耗内存资源,可能会浪费空间

解决方法: 想要用的时候再去创造这个对象,平时就放着,于是就出来了懒汉式单例

懒汉式单例

//懒汉式单例
public class LazyMan {

    private LazyMan() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "ok");
    }

    private static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            lazyMan = new LazyMan();
        }
        return lazyMan;
    }
}

当对象为空时才创建对象.

问题: 单线程下确实OK,但是多线程并发下有问题

写一个多线程的main方法:

public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            lazyMan.getInstance();
        }).start();
    }
}

输出:
Thread-8ok
Thread-7ok
Thread-5ok
Thread-2ok
Thread-3ok
Thread-1ok
Thread-4ok
Thread-9ok
Thread-0ok(每次结果都不一样)

多线程下有问题无法单例,

那么我们就得加一把锁,但我们得考虑一种情况:
两个线程同时到达，即同时调用 getInstance() 方法，此时由于 lazyMan == null ，所以很明显，两个线程都可以通过第一重的 lazyMan == null ，进入第一重 if语句后，由于存在锁机制，所以会有一个线程进入 lock 语句并进入第二重 lazyMan == null ，而另外的一个线程则会在 lock 语句的外面等待.

所以需要双重锁检测null.(虽然我单个锁检测了好久都没出问题😂)

public class LazyMan {

    private LazyMan() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "ok");
    }

    private static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        //双重检测锁模式的懒汉式单例 DCL懒汉式
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
}

输出:
Thread-0ok

虽然加了双重锁,但是在极端环境下仍然不安全.

因为lazyMan = new LazyMan();不是一个原子性操作,

​ 三个指令:

  1. 分配内存空间
  2. 执行构造方法,初始化对象
  3. 把这个对象指向这个空间

正常按1,2,3顺序执行不会出问题,但如果是按照1,3,2顺序执行:

先占用空间,再指向对象.

如果只有一个线程A按1,3,2执行,此时来了一个线程B,由于A已经指向了这个空间它会认为lazyMan != null,就不会实例化,直接return, B没有完成构造.

所以需要加一个volatile保证原子性.

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添加一个volatile,避免指令重排.

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静态内部类单例

public class Holder {
    private Holder() {

    }

    //获取实例
    public static Holder getInstance() {
        return InnerClass.HOLDER;
    }
    
    //在静态内部类中实例化对象
    public static class InnerClass {
        private static final Holder HOLDER = new Holder();
    }
}

没什么实际意义....

这三个单例尽管又是构造器私有,又是加锁的,

但是在仍然不安全,因为有反射的存在.

反射破解单例模式!

怎么算破解了呢: 只要能一次性new出两个实例就算是破解了单例.

反射破解懒汉式并new一个新对象

破解最难破解的懒汉式,核心破解代码:

//反射得到私有的空参构造器
Constructor declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
//关闭检测,无视私有构造器,可以通过反射构造对象
declaredConstructor.setAccessible(true);
//通过反射new出来一个实例instance2
LazyMan instance2 = (LazyMan) declaredConstructor.newInstance();

完整代码:

public class LazyMan {

    private LazyMan() {

    }

    private volatile static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        //双重检测锁模式的懒汉式单例 DCL懒汉式
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //懒汉式自身创建实例对象instance
        LazyMan instance = LazyMan.getInstance();

        //反射得到私有的空参构造器
        Constructor declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        //关闭检测,无视私有构造器,可以通过反射构造对象
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        //通过反射new出来一个实例instance2
        LazyMan instance2 = (LazyMan) declaredConstructor.newInstance();

        //如果破坏了两个实例就不一样
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
    }

}

输出:
284720968
189568618

hashCode不同,代表我们通过反射无视了懒汉式中的私有构造器,并new了一个新对象.

懒汉式防反射破解

因为反射走了无参构造器,所以我们可以在构造器中加一把锁.

空参构造器加锁后:

private LazyMan() {
    synchronized (LazyMan.class){
        //如果在单例中已经new了lazyMan,那么用反射new对象的时候就会出错.
        if (lazyMan != null) {
            throw new RuntimeException("不要试图用反射破解");
        }
    }
}

防破解原理: 如果在单例中已经new了lazyMan,那么用反射new的时候就会出错.

运行结果:

image-20200529233159400

反射破解三锁懒汉式

因为在之前的反射代码中有用懒汉式自身new一个对象,

//懒汉式自身创建实例对象instance
LazyMan instance = LazyMan.getInstance();

导致触发了私有构造器中的锁.那么都用反射创建就好了,不走私有构造器不就不会触发锁了.

public static void main(String[] args) throws Exception {
    //        //反射获取原来的实例instance
    //        LazyMan instance = LazyMan.getInstance();

    //反射得到私有的空参构造器
    Constructor declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
    //关闭检测,无视私有构造器,可以通过反射构造对象
    declaredConstructor.setAccessible(true);
    //通过反射new出来实例
    LazyMan instance = (LazyMan) declaredConstructor.newInstance();
    LazyMan instance2 = (LazyMan) declaredConstructor.newInstance();

    //如果破坏了两个实例就不一样
    System.out.println(instance.hashCode());
    System.out.println(instance2.hashCode());
}

输出:
284720968
189568618

添加标志位防破解

设置一个标志位,在任何情况下,new对象都会使得标志位改变.那么第二次new对象的时候flag==true,就会触发异常.保证一次只能new一个对象.(标志位可以加密,得不到标志位就没办法继续用反射破解单例)

添加一个标指位之后:

private static boolean flag = false;

private LazyMan() {
    synchronized (LazyMan.class){
        //不论通不通过反射flag总会变
        if (!flag) {
            flag = true;
        }else {
            throw new RuntimeException("不要试图用反射破解");
        }
    }
}

输出:

image-20200530003451644

继续破解

再厉害的加密也会被破解,假设找了标志位,就可以关闭标志位的检测并重新置为false.

增加的代码:

//得到标志位并关闭标志位的检测
Field flag = LazyMan.class.getDeclaredField("flag");
flag.setAccessible(true);

//把标志位再置为false
flag.set(instance,false);

源代码:

public static void main(String[] args) throws Exception {

    //得到标志位并关闭标志位的检测
    Field flag = LazyMan.class.getDeclaredField("flag");
    flag.setAccessible(true);

    //反射得到私有的空参构造器
    Constructor declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
    //关闭检测,无视私有构造器,可以通过反射构造对象
    declaredConstructor.setAccessible(true);
    //通过反射new出来实例
    LazyMan instance = (LazyMan) declaredConstructor.newInstance();

    //把标志位再置为false
    flag.set(instance,false);

    LazyMan instance2 = (LazyMan) declaredConstructor.newInstance();

    //如果破坏了两个实例就不一样
    System.out.println(instance.hashCode());
    System.out.println(instance2.hashCode());
}

输出:
1313922862
495053715

到这里似乎没辙了,毕竟反射可以获得和修改类的所有信息.那么怎么办呢?

分析反射原码来防反射

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点进反射的这个创建对象的方法

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在反射创建对象的方法的原码中我们可以发现这样一句话: 不要用反射来创建枚举对象

也就是说反射从原码上就无法破坏枚举,那么我们测试一下.

测试用反射破坏枚举

先写个简单的枚举:

public enum EnumSingle {

    INSTANCE;

    public EnumSingle getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

由于枚举是自带单例的,所以里面肯定有一个私有的构造方法,于是在idea中打开class文件文件,查看私有的构造方法.

package com.tan.single;

public enum EnumSingle {
    INSTANCE;

    //这里空参构造
    private EnumSingle() {
    }

    public EnumSingle getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

可以发现在枚举中这是一个私有空参构造方法

那么我们来试试用反射破解一下

public enum EnumSingle {

    INSTANCE;

    public EnumSingle getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

class Test {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EnumSingle enumSingle1 = EnumSingle.INSTANCE;

        Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(null);
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        EnumSingle enumSingle2 = declaredConstructor.newInstance();

        System.out.println(enumSingle1);
        System.out.println(enumSingle2);
    }
}

先用枚举自身获取一个对象,再用反射获取一个对象,对比一下两个对象是否一样.

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报错,意料之中.

但是报的错误并不是反射源代码中的Cannot reflectively create enum objects,而是com.tan.single.EnumSingle.<init>()这就很奇怪了

按报错来看,我们需要声明并初始化,那么我们随便加一条语句初始化一下.

private final Map<String, String> props = new ConcurrentHashMap<String, String>();

看看class文件

package com.tan.single;

import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public enum EnumSingle {
    INSTANCE;

    private final Map<String, String> props = new ConcurrentHashMap();

    private EnumSingle() {
    }

    public EnumSingle getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

发现空参构造仍然在,但是反射还是没办法利用这个空参构造破解,说明确实没办法用反射破解枚举.

但是从原码上来看,用反射破解枚举应该会报错并抛出Cannot reflectively create enum objects,为什么报错会与理论都会不一样呢?

探究报错为什么会与理论不一样

这个编译后class文件一定有问题,idea的反编译不行那么我们试试用cmd来反编译

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发现仍然有空参构造,还是不行.

试试专业反编译工具 jad.exe

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打开反编译后的java文件

image-20200530013821379

发现终于不是空参了

image-20200530013918013

改一下反射代码

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完整代码 EnumSingle.java

    package com.tan.single;

    import java.lang.reflect.Constructor;
    import java.util.Map;
    import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

    /**
     * @author tan
     * @date 2020/5/30
     */

    public enum EnumSingle {

        INSTANCE;
        private final Map<String, String> props = new ConcurrentHashMap<String, String>();

        public EnumSingle getInstance() {
            return INSTANCE;
        }
    }

    class Test {

        public static void main(String[] args) throws Exception {
            EnumSingle enumSingle1 = EnumSingle.INSTANCE;

            Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
            declaredConstructor.setAccessible(true);
            EnumSingle enumSingle2 = declaredConstructor.newInstance();

            System.out.println(enumSingle1);
            System.out.println(enumSingle2);
        }
    }

运行结果:

image-20200530014350872

好了,终于是报了正确的错误,探究至此结束.反射破解不了枚举,而枚举自带单例,用枚举写的单例模式自然也无法用反射破坏.

posted @ 2020-05-31 21:39  Vlats  阅读(166)  评论(0)  编辑  收藏  举报