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使用枚举来写出更优雅的单例设计模式

Java 中的单例设计模式,很多时候我们只会注意到线程引起的表象性问题,但是没考虑过对反射机制的限制,此文旨在简单介绍利用枚举来防止反射的漏洞。

一、最常见的单例

我们先展示一段最常见的懒汉式的单例:

public class Singleton {

    private Singleton(){} // 私有构造

    private static Singleton instance = null; // 私有单例对象

    // 静态工厂
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null) { // 双重检测机制
            synchronized (Singleton.class) { // 同步锁
                if (instance == null) { // 双重检测机制
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}
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上述单例的写法采用的 双重检查机制 增加了一定的安全性,但是没有考虑到  JVM 编译器的指令重排

二、杜绝 JVM 的指令重排对单例造成的影响

1、什么是指令重排

比如 java 中简单的一句 instance = new Singleton,会被编译器编译成如下 JVM 指令:

memory =allocate();    //1:分配对象的内存空间 

ctorInstance(memory);  //2:初始化对象 

instance =memory;     //3:设置instance指向刚分配的内存地址
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但是这些指令顺序并非一成不变,有可能会经过 JVM 和 CPU 的优化,指令重排成下面的顺序:

memory =allocate();    //1:分配对象的内存空间 

instance =memory;     //3:设置instance指向刚分配的内存地址 

ctorInstance(memory);  //2:初始化对象
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2、影响

对应到上文的单例模式,会产生如下图的问题:

  1. 当线程 A 执行完1,3,时,准备走2,即 instance 对象还未完成初始化,但已经不再指向 null 。

  2. 此时如果线程 B 抢占到CPU资源,执行  if(instance == null)的结果会是 false,

  3. 从而返回一个没有初始化完成的instance对象。

使用枚举来写出更优雅的单例设计模式

3、解决

如何去防止呢,很简单,可以利用关键字 volatile 来修饰 instance 对象,如下图进行优化:

使用枚举来写出更优雅的单例设计模式

why?

很简单,volatile 修饰符在此处的作用就是阻止变量访问前后的指令重排,从而保证了指令的执行顺序。

意思就是,指令的执行顺序是严格按照上文的 1、2、3 来执行的,从而对象不会出现中间态。

其实,volatile 关键字在多线程的开发中应用很广,暂不赘述。

虽然很赞,但是此处仍然 没有考虑过反射机制带来的影响

三、进阶篇,实现完美单例

1、小插曲

实现单例有很多种模式,在此介绍一种使用静态内部类实现单例模式的方式:

public class Singleton {

    private static class LazyHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

}
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这是一种很巧妙的方式,原由是:

  1. 从外部无法访问静态内部类 LazyHolder,只有当调用 Singleton.getInstance() 方法的时候,才能得到单例对象 INSTANCE。

  2. INSTANCE 对象初始化的时机并不是在单例类 Singleton 被加载的时候,而是在调用 getInstance 方法,使得静态内部类 LazyHolder 被加载的时候。

  3. 因此这种实现方式是利用classloader的加载机制来实现懒加载,并保证构建单例的线程安全。

2、漏洞展示

很多种单例的写法都有一个通病,就是无法防止反射机制的漏洞,从而无法保证对象的唯一性,如下举例:

利用如下的反正代码对上文构造的单例进行对象的创建。

public static void main(String[] args) {

    try {

        //获得构造器
        Constructor con = Singleton.class.getDeclaredConstructor();

        //设置为可访问
        con.setAccessible(true);

        //构造两个不同的对象
        Singleton singleton1 = (Singleton)con.newInstance();
        Singleton singleton2 = (Singleton)con.newInstance();

        //验证是否是不同对象
        System.out.println(singleton1);
        System.out.println(singleton2);
        System.out.println(singleton1.equals(singleton2));
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }

}
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我们直接看结果:

使用枚举来写出更优雅的单例设计模式

结果很明显,这显然是两个对象。

3、解决

使用 枚举 来实现单例模式。

实现很简单,就三行代码:

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}
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上面所展示的就是一个单例,

why?

其实这就是 enum 的一块语法糖, JVM 会阻止反射获取枚举类的私有构造方法

仍然使用上文的反射代码来进行测试,发现,报错。嘿嘿,完美解决反射的问题。

原文  https://juejin.im/post/5c92e5b45188252d64582700
正文到此结束
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