单例模式（饿汉模式、懒汉模式、静态内部类、枚举单例）反射破解

2024-02-13 19:02:57

根据狂神说写的笔记：https://www.bilibili.com/video/BV1K54y197iS?from=search&seid=2247731384023907916

一、饿汉式单例（程序一开始就加载）

package com.yyh.danlimoshi;
//饿汉模式,一开始就全部加载
public class HungryMan {

    int[] a=new int[4];
    int[] a1=new int[4];



    //构造器私有
    private HungryMan(){
    }
    private static   HungryMan HUNGRY_MAN =new HungryMan();
    public HungryMan getInstance(){
        return  HUNGRY_MAN;
    }

}

二、懒汉式单例（用才加载，不用不加载）

package com.yyh.danlimoshi;
//懒汉式  用到的时候才加载
public class LazyMan {
 //构造器私有
    private LazyMan(){
        System.out.println("线程启动"+Thread.currentThread().getName());

    }
private static LazyMan LAZY_MAN=null;
    public  static  LazyMan getIntance(){
        if(LAZY_MAN==null){
            LAZY_MAN=new LazyMan();
        }
        return LAZY_MAN;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i <9 ; i++) {
            new Thread(()->{
                LazyMan.getIntance();
            }).start();
        }
    }

}

这个程序单线程模式没问题，多线程出现下面问题

线程只启动了两个，成功的次数每次不一样
解决：加双层锁，锁class,每次进去的线程只有一个

private static LazyMan LAZY_MAN=null;
    public  static  LazyMan getIntance(){
        //加两层锁是为了提高效率，线程进入第一个if语句，假如LazyMan类锁被其他线程占用，则等待，这个等待可以理解为在锁内等待，所以提高效率
        

        if(LAZY_MAN==null){
            synchronized (LazyMan.class){
                if(LAZY_MAN==null){
                    LAZY_MAN=new LazyMan();
                }
            }
        }
        return LAZY_MAN;
    }

                    //DCL懒汉式

以上代码还是会出现问题，因为 LAZY_MAN=new LazyMan()不是原子操作，new的过程中分三步：
1.分配内存空间
2.执行构造方法，初始化对象
3.把初始化的对象指向分配的空间
这个过程可能发生指令重排，比如：
A线程执行过程为132的时候，执行没问题
然后线程B执行的时候因为已经指向了分配的空间，所以判读if（LAZY_MAN==null）不成立，返回空的LAZY_MAN(空指针异常)

解释：

2初始化对象是一个内存操作，这可能是一个耗时操作，为了避免CPU在等待这个操作时停顿导致性能下降，编译器会调整指令顺序（开启优化）或者有些架构的CPU会乱序执行指令，也就是将3提前执行，这样的话，指针就指向了一个未初始化好的对象。外部得到的单例对象是一个未初始化好的对象，就会引发问题，并不是说new对象的时候出错。这只在多线程场景下才会有小概率出现。指令重排和CPU架构、编译器优化有关，和编程语言无关，不同编程语言都提供了一定的API或赋予关键字一定语义来保证CPU不乱序执行或者编译器不执行指令重排优化。
在C/C++中，volatile是为了提醒编译器在执行的单一线程内， volatile 访问不能被优化掉，但是volatile并不能保证数据是多线程安全的。其他语言也应当是一样的，但是不同语言可能赋予了volatile更多的语义

解决办法：加上volatile防止指令重排

private volatile static LazyMan LAZY_MAN=null;

三、静态内部类单例

package com.yyh.danlimoshi;
//静态内部类
public class Holder {
    private Holder(){}

    public Holder getInstance(){
        return  Inner.HOLDER;
    }

    public  static  class Inner{
        public static Holder HOLDER=new Holder();
    }
}

四、以上三个都是不安全的，因为有反射机制，可以全部破解，以懒汉式单例为例（不知道反射的去看反射篇：https://blog.csdn.net/weixin_45653314/article/details/110173952）

 /*利用反射机制破解*/
        LazyMan intance = LazyMan.getIntance();
        //利用反射获取一个对象
        Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        LazyMan instance1 = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(instance1.equals(intance));

输出结果为：

解决办法：在私有构造器里面加锁

 private LazyMan(){

        synchronized (LazyMan.class){
            if (LAZY_MAN!=null){
                throw new RuntimeException("不要用反射破环单例");
            }
        }
        System.out.println("线程启动"+Thread.currentThread().getName());

    }

输出结果：

但是还是有问题，假如把代码换成下面的话，还是可以破坏单例：

  Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        LazyMan instance1 = declaredConstructor.newInstance();
        LazyMan instance = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(instance1.equals(instance));

输出结果：

上面这种情况的话可以通过红绿灯解决（打标记），解决办法：

 private static  boolean red=false;
 //构造器私有
    private LazyMan(){

        synchronized (LazyMan.class){
            if(red==false){
                red=true;
            }else {
                throw new RuntimeException("不要用反射破环单例");
            }
        }
        System.out.println("线程启动"+Thread.currentThread().getName());

    }

输出结果：

即使这样也可以利用反射的机制破坏单例：

 Field red = LazyMan.class.getDeclaredField("red");
        red.setAccessible(true);

        //利用反射获取一个对象
        Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        LazyMan instance1 = declaredConstructor.newInstance();
        red.set(instance1,false);
        LazyMan instance = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(instance1.equals(instance));

输出结果：

四、枚举单例

package com.yyh.danlimoshi;

public enum  EnumSigle {
    RED;
    public EnumSigle getInstance(){
        return RED;
    }

    public static void main(String[] args) {
        EnumSigle red = EnumSigle.RED;
        EnumSigle red1 = EnumSigle.RED;
        System.out.println(red==red1);


    }
}

现在尝试用反射机制破坏枚举：

package com.yyh.danlimoshi;

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

public enum  EnumSigle {
    RED;
    public EnumSigle getInstance(){
        return RED;
    }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        EnumSigle red = EnumSigle.RED;
        Constructor<EnumSigle> declaredConstructor = EnumSigle.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        EnumSigle enumSigle = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(red);
        System.out.println(enumSigle);


    }
}

运行结果：

码农公寓

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