谈谈单例设计模式的源码应用和安全问题

一、源码应用

事实上，我们在JDK或者其他的通用框架中很少能看到标准的单例设计模式，这也就

意味着他确实很经典，但严格的单例设计确实有它的问题和局限性，我们先看看在源

码中的一些案例

1、jdk中的单例

jdk中有一个类的实现是一个标准单例模式（饿汉式），即Runtime类，该类封装了运行时的环境。每个 Java 应用程序都有一个 Runtime 类实例，使应用程序能够与其运行的环境相连接。 一般不能实例化一个Runtime对象，应用程序也不能创建自己的 Runtime类实例，可以通过 getRuntime 方法获取当前Runtime运行时对象的引用。

public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();

    private static Version version;

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class {@code Runtime} are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the {@code Runtime} object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
    
    ...
}

2、MyBatis中的单例

Mybaits中的org.apache.ibatis.io.VFS使用到了单例模式。VFS就是Virtual File

System的意思，mybatis通过VFS来查找指定路径下的资源。查看VFS以及它的实现

类，不难发现，VFS的角色就是对更“底层”的查找指定资源的方法的封装，将复杂的

“底层”操作封装到易于使用的高层模块中，方便使用者使用。

public class public abstract class VFS {
	// 使用了内部类
	private static class VFSHolder {
		static final VFS INSTANCE = createVFS();
		@SuppressWarnings("unchecked")
		static VFS createVFS() {
			// ...省略创建过程
			return vfs;
		}
	}
	
	public static VFS getInstance() {
		return VFSHolder.INSTANCE;
	}
	
	// ...
}

二、安全问题

1、反射入侵

我们可以通过反射获取私有构造器进行构造，如下代码：

@Slf4j
public class TestReflectSingleton {

    private static volatile TestReflectSingleton instance;

    private TestReflectSingleton(){}

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

    /**
     * 测试反射入侵
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        Class<TestReflectSingleton> cls = TestReflectSingleton.class;
        try {
            Constructor<TestReflectSingleton> constructor = cls.getDeclaredConstructor();
            // 设置为可见
            constructor.setAccessible(true);
            TestReflectSingleton instance1 = TestReflectSingleton.getInstance();
            TestReflectSingleton instance2 = constructor.newInstance();
            boolean flag = instance2 == instance1;
            log.info("flag -> {}", flag);
            log.info("flag -> {}", flag);
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InvocationTargetException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InstantiationException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

这样输出的结果是false，证明对象不是同一个对象，我们可以在构造方法中再加一个判断对象是否为空的条件即可。代码如下：

@Slf4j
public class TestReflectSingleton {

    private static volatile TestReflectSingleton instance;

    private TestReflectSingleton(){
        if(instance != null){
            // 实例化直接抛出异常
            throw new RuntimeException("实例：【" + this.getClass().getName() + "】已经存在，该实例只被实例化一次！");
        }
    }

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

    /**
     * 测试反射入侵
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        Class<TestReflectSingleton> cls = TestReflectSingleton.class;
        try {
            Constructor<TestReflectSingleton> constructor = cls.getDeclaredConstructor();
            constructor.setAccessible(true);
            TestReflectSingleton instance1 = TestReflectSingleton.getInstance();
            TestReflectSingleton instance2 = constructor.newInstance();
            boolean flag = instance2 == instance1;
            log.info("flag -> {}", flag);
            log.info("flag -> {}", flag);
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InvocationTargetException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (InstantiationException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

直接抛出异常,这样就可以防止反射入侵啦

2、序列化与反序列化问题

@Slf4j
public class TestSerializeSingleton implements Serializable {
    /**
     * 简单的写个懒加载吧
     */
    private static TestSerializeSingleton instance;

    private TestSerializeSingleton() {}

    public static TestSerializeSingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new TestSerializeSingleton();
        }
        return instance;
    }


    public static void main(String[] args) {
        String url = "DesignPatterns/src/main/resources/singleton.txt";
        // 获取单例并序列化
        TestSerializeSingleton singleton = TestSerializeSingleton.getInstance();
        FileOutputStream fos = null;
        ObjectOutputStream oos = null;
        FileInputStream fis = null;
        ObjectInputStream ois = null;
        try {
            fos = new FileOutputStream(url);
            oos = new ObjectOutputStream(fos);
            oos.writeObject(singleton);
            // 将实例反序列化出来
            fis = new FileInputStream(url);
            ois = new ObjectInputStream(fis);
            Object o = ois.readObject();
            log.info("他们是同一个实例吗？{}",o == singleton);  // return false
        } catch (FileNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            try {
                if(fos != null){
                    fos.close();
                }
                if(oos != null){
                    oos.close();
                }
                if(fis != null){
                    fis.close();
                }
                if(ois != null){
                    ois.close();
                }
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }

    }
}

输出结果如下：

readResolve()方法可以用于替换从流中读取的对象，在进行反序列化时，会尝试执行readResolve方法，并将返回值作为反序列化的结果，而不会克隆一个新的实例，保证jvm中仅仅有一个实例存在，所以在单例中添加readResolve方法：

public Object readResolve(){
     return instance;
}

再次运行代码输出结果如下：

三、单例存在的一些问题

1、它不支持面向对象编程

我们都知道，面向对象的三大特性是封装、继承、多态。单例将构造私有化，直接导致的结果就是，他无法成为其他类的父类，这就相当于直接放弃了继承和多态的特性，也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性，以后一旦有扩展需求，我们不得不新建一个十分【雷同】的单例。

2、极难的横向扩展

单例类只能有一个对象实例。如果未来某一天，一个实例已经无法满足我们的需求，我们需要创建一个，或者更多个实例时，就必须对源代码进行修改，无法友好扩展。

在系统设计初期，我们觉得系统中只应该有一个数据库连接池，这样能方便我们控制对数据库连接资源的消耗。所以，我们把数据库连接池类设计成了单例类。但之后我们发现，系统中有些 SQL 语句运行得非常慢。这些 SQL 语句在执行的时候，长时间占用数据库连接资源，导致其他 SQL 请求无法响应。为了解决这个问题，我们希望将慢 SQL 与其他 SQL 隔离开来执行。为了实现这样的目的，我们可以在系统中创建两个数据库连接池，慢 SQL 独享一个数据库连接池，其他 SQL 独享另外一个数据库连接池，这样就能避免慢 SQL 影响到其他 SQL 的执行。

如果我们将数据库连接池设计成单例类，显然就无法适应这样的需求变更，也就是说，单例类在某些情况下会影响代码的扩展性、灵活性。所以，数据库连接池、线程池这类的资源池，最好还是不要设计成单例类。实际上，一些开源的数据库连接池、线程池也确实没有设计成单例类。