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GOF23设计模式-创建型模式1-单例模式-5种实现方式比较和防止反射与反序列化漏洞

设计模式GOF23-单例模式5种方式写法与比较

设计模式

设计模式的分类
单例模式

核心作用
常见应用场景
单例模式的优点

常见的五种单例模式实现方式

实现方式1：饿汉式（单例对象立即加载）
实现方式2：懒汉式（单例对象延迟加载）
实现方式3：双重检测锁（由于JVM内部模型偶尔出现问题，不建议使用）
实现方式4：静态内部类（也是一种延迟加载方式）
实现方式5：枚举类实现（实现简单，无是延迟加载）

如何选用？
常见五种单例模式在多线程环境下的效率测试
通过反射破解以上单例模式及如何防止（不包含枚举式）
通过反序列化破解以上单例模式及如何防止（不包含枚举式）

设计模式

学习设计模式，就是将设计者的思维融入学习和工作中，更高层次的思考，而不是死记硬背模式代码。

设计模式的分类

GOF将设计模式分为以下三个模块：

创建型模式： 单例模式、工厂模式、抽象工厂模式、建造者模式、原型模式；
结构型模式： 适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰模式、外观模式、享元模式、代理模式；
行为型模式： 模板方法模式、命令模式、迭代器模式、观察者模式、中介模式、备忘录模式、解释器模式、状态模式、策略模式、职责链模式、访问者模式；

单例模式

核心作用

保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点。

常见应用场景

Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式
Windows的Recycle Bin（回收站）也是很典型的单例模式，在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。
网站的计数器，一般也采用单例模式实现，否则难以同步。
操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。
在servlet编程中，每个servlet 也是单例。
Application也是单例的典型应用（Servlet编程中有涉及到）。
应用程序的日志应用，一般都采用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。
项目中读取配置文件的类，一般也只有一个对象。没必要每次使用配置文件信息数据，都去new一个新的对象去读取。
数据库连接池的设计一般也是采用单例模式。数据库连接是一种数据库资源。
在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样做的优点是方便Spring容器的管理。
在Spring MVC框架/Struts1框架中，控制器对象也是单例。

单例模式的优点

由于单例模式只生成了一个实例，减少了系统性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置文件、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决。
单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

常见的五种单例模式实现方式

主要：
- 饿汉式（线程安全，调用效率高。但是不能延时加载。）
- 懒汉式（线程安全，调用效率不高。但是可以延时加载。）
其他：
- 双重检测锁式（由于JVM底层内部模型原因，偶尔出现问题。不建议使用。）
- 静态内部类式（线程安全，调用效率高。可以延时加载。）
- 枚举单例（线程安全，调用效率高，不能延时加载。）

实现方式1：饿汉式（单例对象立即加载）

实现代码

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：单例模式：饿汉式
 */
public class SingletonDemo1 {
    //类初始化时立即加载此对象，天然线程安全，没有延时加载
    private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1();

    //构造方法私有化
    private SingletonDemo1(){}

    //提供外部访问实例方法，方法没有同步，调用效率高
    public static SingletonDemo1 getInstance(){
        return instance;
    }
}

测试

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：测试单例模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args){
        SingletonDemo1 instance1 = SingletonDemo1.getInstance();
        SingletonDemo1 instance2 = SingletonDemo1.getInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2); // true
    }
}

分析

饿汉式单例模式代码中，static变量会在类装载时初始化，此时也不会涉及多个线程对象访问该对象的问题。虚拟机保证只会装载一次该类，肯定不会发生并发访问的问题。因此可以省略synchronized关键字。
问题：如果只是加载本类，而不是要调用getInstance()，甚至永远也没有调用，则会造成资源浪费！
UML

实现方式2：懒汉式（单例对象延迟加载）

代码实现

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：单例模式：懒汉式
 */
public class SingletonDemo2 {
    //类初始化时不初始化此对象，延时加载
    private static SingletonDemo2 instance;

    //私有化构造器
    private SingletonDemo2() {}

    //方法同步，调用效率低
    public static synchronized SingletonDemo2 getInstance(){
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonDemo2();
        }
        return instance;
    }
}

测试

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：测试单例模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args){
        SingletonDemo2 instance1 = SingletonDemo2.getInstance();
        SingletonDemo2 instance2 = SingletonDemo2.getInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2); // true
    }
}

分析

懒加载（延时加载），真正用的时候再去加载。
问题：资源利用率高了，但是每次调用getInstance()方法都要同步，并发效率低了。
UML

实现方式3：双重检测锁（由于JVM内部模型偶尔出现问题，不建议使用）

代码实现

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：单例模式：双重校验锁
 */
public class SingletonDemo3 {
    private volatile static SingletonDemo3 instance;
    private SingletonDemo3() {}
    public static SingletonDemo3 getInstance(){
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDemo3.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDemo3();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

测试

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：测试单例模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args){
        SingletonDemo3 instance1 = SingletonDemo3.getInstance();
        SingletonDemo3 instance2 = SingletonDemo3.getInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2); // true
    }
}

分析

此模式将同步内容下放到if内部，提高了执行效率，不必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步，实例创建后就没必要了。
问题：由于编译器优化原因和JVM内部模型原因，偶尔会出现问题，所以不建议使用。
instance 采用 volatile 修饰是很有必要的，因为 instance = new SingletonDemo3() 这句话可以分为三步：
1. 为 instance 分配内存空间；
2. 初始化 instance ；
3. 将 instance 指向分配的内存空间。
  但是由于JVM具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1-3-2。指令重排在单线程下不会出现问题，但是在多线程下会导致一个线程获得一个未初始化的实例。例如：线程T1执行了1和3，此时T2调用 getInstance() 后发现 instance 不为空，因此返回 instance ，但是此时的 instance 还没有被初始化。
  使用 volatile 会禁止JVM指令重排，从而保证在多线程下也能正常执行。
  UML

实现方式4：静态内部类（也是一种延迟加载方式）

代码

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：单例模式：静态内部类
 */
public class SingletonDemo4 {
    private static class SingletonClassInstance {
        private static final SingletonDemo4 instance = new SingletonDemo4();
    }
    private SingletonDemo4() {}
    
    public static SingletonDemo4 getInstance() {
        return SingletonClassInstance.instance;
    }
}

测试

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：测试单例模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args){
        SingletonDemo4 instance1 = SingletonDemo4.getInstance();
        SingletonDemo4 instance2 = SingletonDemo4.getInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2); // true
    }
}

分析

外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样立即加载对象。
只有真正调用getInstance()方法时才会加载静态内部类。加载类时是线程安全的，instance是static final类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只能被赋值一次，从而保证了线程安全性。
兼备了并发高效调用和延迟加载的优势。
UML

实现方式5：枚举类实现（实现简单，无是延迟加载）

代码

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：单例模式：枚举实现
 */
public enum  SingletonDemo5 {
    //定义一个枚举元素，它就代表了一个SingletonDemo的对象
    INSTANCE;
    /**
     * 单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation() {
        //功能处理
    }
}

测试

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：测试单例模式
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args){
        SingletonDemo5 instance1 = SingletonDemo5.INSTANCE;
        SingletonDemo5 instance2 = SingletonDemo5.INSTANCE;
        System.out.println(instance1 == instance2); // true
    }
}

分析

优点：实现简单。枚举本身就是单例模式。由JVM从根本上提供了保障，避免通过反射和反序列化的漏洞。
缺点：无延迟加载。
UML

如何选用？

单例对象，占用资源少、不需延迟加载：枚举式好于饿汉式；
单例对象，占用资源大、需要延迟加载：静态内部类式好于懒汉式。

常见五种单例模式在多线程环境下的效率测试

使用CountDownLatch：同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。

countDown()：当前线程调用此方法，则计数减一（建议放到finally里执行）。
await()：调用此方法会一直阻塞当前线程，直到计时器的值为0。

下面是我测试的结果（10个线程调用1000000次），大家关注相对值即可，不同环境下的程序测试值完全不一样。

设计模式	时间（ms）
饿汉式	71
懒汉式	455
静态内部类式	77
双重校验锁式	83
枚举式	84

测试代码示例

package com.tumbler.singleton;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：测试比较五种方式单例模式的效率
 */
public class TestSingletonDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        long start = System.currentTimeMillis();
        int threadNum = 10;
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);

        for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
                    //Object o = SingletonDemo1.getInstance();
                    Object o = SingletonDemo5.INSTANCE;
                }
                countDownLatch.countDown();
            }).start();
        }
        countDownLatch.await();
        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("总耗时：" + (end - start));
    }
}

通过反射破解以上单例模式及如何防止（不包含枚举式）

测试代码

package com.tumbler.singleton;

import java.lang.reflect.Constructor;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：测试反射破坏单例模式，以懒汉式为例
 */
public class TestReflex {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SingletonDemo2 instance1 = SingletonDemo2.getInstance();
        SingletonDemo2 instance2 = SingletonDemo2.getInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2); // true  单例

        //通过反射破坏单例模式
        Class clazz = (Class) Class.forName("com.tumbler.singleton.SingletonDemo2");
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(null);
        constructor.setAccessible(true); // 访问私有构造器
        SingletonDemo2 instance3 = constructor.newInstance();
        SingletonDemo2 instance4 = constructor.newInstance();
        System.out.println(instance3 == instance4); //false  单例被破坏
    }
}

如何防止？
在私有构造器内抛出异常，即多次构造直接报错阻止。
修改SingletonDemo2：

package com.tumbler.singleton;

/**
 * User：tumbler
 * Desc：单例模式：懒汉式  防止反射破坏单例
 */
public class SingletonDemo2 {
    //类初始化时不初始化此对象，延时加载
    private static SingletonDemo2 instance;

    //私有化构造器
    private SingletonDemo2() {
        if(instance != null) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    //方法同步，调用效率低
    public static synchronized SingletonDemo2 getInstance(){
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonDemo2();
        }
        return instance;
    }
}

通过反序列化破解以上单例模式及如何防止（不包含枚举式）

要是用序列化，则先给SingletonDemo2实现序列化接口

public class SingletonDemo2 implements Serializable