技术文章摘抄

✅如何破坏单例模式？

典型回答

单例模式主要是通过把一个类的构造方法私有化，来避免重复创建多个对象的。那么，想要破坏单例，只要想办法能够执行到这个私有的构造方法就行了。

一般来说做法有使用反射及使用反序列化都可以破坏单例。

扩展知识

我们先通过双重校验锁的方式创建一个单例，后文会通过反射及反序列化的方式尝试破坏这个单例。

package com.hollis;
import java.io.Serializable;
/**
 * Created by hollis on 16/2/5.
 * 使用双重校验锁方式实现单例
 */
public class Singleton implements Serializable{
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

反射破坏单例

我们尝试通过反射技术，来破坏单例：

Singleton singleton1 = Singleton.getSingleton();

//通过反射获取到构造函数
Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
//将构造函数设置为可访问类型
constructor.setAccessible(true);
//调用构造函数的newInstance创建一个对象
Singleton singleton2 = constructor.newInstance();
//判断反射创建的对象和之前的对象是不是同一个对象
System.out.println(s1 == s2);

以上代码，输出结果为false，也就是说通过反射技术，我们给单例对象创建出来了一个"兄弟"。

setAccessible(true)，使得反射对象在使用时应该取消 Java 语言访问检查，使得私有的构造函数能够被访问。

反序列化破坏单例

我们尝试通过序列化+反序列化来破坏一下单例：

package com.hollis;
import java.io.*;
/**
 * Created by hollis on 16/2/5.
 */
public class SerializableDemo1 {
    //为了便于理解，忽略关闭流操作及删除文件操作。真正编码时千万不要忘记
    //Exception直接抛出
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //Write Obj to file
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
        oos.writeObject(Singleton.getSingleton());
        //Read Obj from file
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
        //判断是否是同一个对象
        System.out.println(newInstance == Singleton.getSingleton());
    }
}
//false

输出结构为false，说明：

通过对Singleton的序列化与反序列化得到的对象是一个新的对象，这就破坏了Singleton的单例性。

这里，在介绍如何解决这个问题之前，我们先来深入分析一下，为什么会这样？在反序列化的过程中到底发生了什么。

ObjectInputStream

对象的序列化过程通过ObjectOutputStream和ObjectInputStream来实现的，那么带着刚刚的问题，分析一下ObjectInputStream 的readObject 方法执行情况到底是怎样的。

为了节省篇幅，这里给出ObjectInputStream的readObject的调用栈：

640.png

这里看一下重点代码，readOrdinaryObject方法的代码片段： code 3

private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
        throws IOException
    {
        //此处省略部分代码

        Object obj;
        try {
            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
        } catch (Exception ex) {
            throw (IOException) new InvalidClassException(
                desc.forClass().getName(),
                "unable to create instance").initCause(ex);
        }

        //此处省略部分代码

        if (obj != null &&
            handles.lookupException(passHandle) == null &&
            desc.hasReadResolveMethod())
        {
            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
                rep = cloneArray(rep);
            }
            if (rep != obj) {
                handles.setObject(passHandle, obj = rep);
            }
        }

        return obj;
    }

code 3 中主要贴出两部分代码。先分析第一部分：

code 3.1

Object obj;
try {
    obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
} catch (Exception ex) {
    throw (IOException) new InvalidClassException(desc.forClass().getName(),"unable to create instance").initCause(ex);
}

这里创建的这个obj对象，就是本方法要返回的对象，也可以暂时理解为是ObjectInputStream的readObject返回的对象。

641.jpeg

isInstantiable：如果一个serializable/externalizable的类可以在运行时被实例化，那么该方法就返回true。针对serializable和externalizable我会在其他文章中介绍。

desc.newInstance：该方法通过反射的方式新建一个对象。

然后看一下newInstance的源码：

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;
}

其中关键的就是T inst = (T) ca.newInstance(initargs);这一步，这里实现的话在BootstrapConstructorAccessorImpl中，实现如下：

public Object newInstance(Object[] args)
    throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
    try {
        return UnsafeFieldAccessorImpl.unsafe.
            allocateInstance(constructor.getDeclaringClass());
    } catch (InstantiationException e) {
        throw new InvocationTargetException(e);
    }
}

可以看到，这里通过Java 的 Unsafe 机制来创建对象的，而不是通过调用构造函数。这意味着即使类的构造函数是私有的，反序列化仍然可以创建该类的实例，因为它不依赖于常规的构造过程。

✅什么是Unsafe？

所以。到目前为止，也就可以解释，为什么序列化可以破坏单例了？

答：序列化会通过Unsafe直接分配内存的方式来创建一个新的对象。

总结

在涉及到序列化的场景时，要格外注意他对单例的破坏。

如何避免单例被破坏

避免反射破坏单例

反射是调用默认的构造函数创建出来的，只需要我们改造下构造函数，使其在反射调用的时候识别出来对象是不是被创建过就行了：

private Singleton() {
    if (singleton != null){        
    throw new RuntimeException("单例对象只能创建一次... ");
}

避免反序列化破坏单例

解决反序列化的破坏单例，只需要我们自定义反序列化的策略就行了，就是说我们不要让他走默认逻辑一直调用到Unsafe创建对象，而是我们干预他的这个过程，干预方式就是在Singleton类中定义readResolve，这样就可以解决该问题：

package com.hollis;
import java.io.Serializable;
/**
 * Created by hollis on 16/2/5.
 * 使用双重校验锁方式实现单例
 */
public class Singleton implements Serializable{
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }

    private Object readResolve() {
        return singleton;
    }
}

还是运行以下测试类：

package com.hollis;
import java.io.*;
/**
 * Created by hollis on 16/2/5.
 */
public class SerializableDemo1 {
    //为了便于理解，忽略关闭流操作及删除文件操作。真正编码时千万不要忘记
    //Exception直接抛出
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        //Write Obj to file
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));
        oos.writeObject(Singleton.getSingleton());
        //Read Obj from file
        File file = new File("tempFile");
        ObjectInputStream ois =  new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
        Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
        //判断是否是同一个对象
        System.out.println(newInstance == Singleton.getSingleton());
    }
}
//true

本次输出结果为true。具体原理，我们回过头继续分析code 3中的第二段代码:

if (obj != null &&
            handles.lookupException(passHandle) == null &&
            desc.hasReadResolveMethod())
        {
            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
                rep = cloneArray(rep);
            }
            if (rep != obj) {
                handles.setObject(passHandle, obj = rep);
            }
        }

hasReadResolveMethod:如果实现了serializable 或者 externalizable接口的类中包含readResolve则返回true

invokeReadResolve:通过反射的方式调用要被反序列化的类的readResolve方法。

所以，原理也就清楚了，只要在Singleton中定义readResolve方法，并在该方法中指定要返回的对象的生成策略，就可以防止单例被破坏。

原文: https://www.yuque.com/hollis666/xkm7k3/vqtp00