【设计模式】破解单例模式：反射、序列化与克隆攻击的防御之道
可能有的小伙伴看了我上一篇文章里几种方式对比的表格，觉得枚举有缺点，为什么Joshua Bloch还推荐使用枚举？这就要提到单例的破解了。普通的单例模式是可以通过反射和序列化/反序列化来破解的，而Enum由于自身的特性问题，是无法破解的。当然，由于这种情况基本不会出现，因此我们在使用单例模式的时候也比较少考虑这个问题。
枚举类是实现单例模式最好的方式
在单例模式的实现中，除去枚举方法实现的单例模式，其它的实现都可以利用反射构造新的对象，从而破坏单例模式，但是枚举就不行，下面说说原因：
破坏单例的方式有 3 种，反射、克隆以及序列化，下面详细介绍：
反射
常见的单例模式实现中，往往有一个私有的构造函数，防止外部程序的调用，但是通过反射可以轻而易举的破坏这个限制：
public class DobleCheckSingleton {
private DobleCheckSingleton(){}
private static volatile DobleCheckSingleton dobleCheckSingleton;
public static DobleCheckSingleton getSingleton(){
if (dobleCheckSingleton == null){
synchronized (DobleCheckSingleton.class){
if (dobleCheckSingleton == null){
dobleCheckSingleton = new DobleCheckSingleton();
}
}
}
return dobleCheckSingleton;
}
public static void main(String[] args) {
try {
DobleCheckSingleton dobleCheckSingleton = DobleCheckSingleton.getSingleton();
Constructor<DobleCheckSingleton> constructor = DobleCheckSingleton.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
DobleCheckSingleton reflectInstance = constructor.newInstance();
System.out.println(dobleCheckSingleton == reflectInstance);
} catch (Exception ee.printStackTrace();
}
}
}
输出：false，单例被破坏显然，通过反射可以破坏所有含有无参构造器的单例类，如可以破坏懒汉式、饿汉式、静态内部类的单例模式
但是反射无法破坏通过枚举实现的单例模式，利用反射构造新的对象，由于 enum 没有无参构造器，结果会抛出 NoSuchMethodException 异常
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
public static void main(String[] args) {
try {
EnumSingleton enumSingleton = EnumSingleton.INSTANCE;
// 获取无参的构造函数
Constructor<EnumSingleton> constructor = null;
constructor = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor();
// 使用构造函数创建对象
constructor.setAccessible(true);
EnumSingleton reflectInstance = constructor.newInstance();
System.out.println(enumSingleton == reflectInstance);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
输出：java.lang.NoSuchMethodException: singleton.EnumSingleton.<init>()
at java.lang.Class.getConstructor0(Class.java:3082)
at java.lang.Class.getDeclaredConstructor(Class.java:2178)
at singleton.EnumSingleton.main(EnumSingleton.java:19)枚举安全的原因解释:
对 EnumSingleton 文件进行反编译，可以发现 EnumSingleton 继承于 Enum，而 Enum 类确实没有无参的构造器，所以抛出 NoSuchMethodException。
枚举类 EnumSingleton 反编译结果
public final class singleton.EnumSingleton extends java.lang.Enum<singleton.EnumSingleton>
Enum 类的构造方法
protected Enum(String name, int ordinal) {
this.name = name;
this.ordinal = ordinal;
}进一步，通过调用父类有参构造器构造枚举实例对象，样例程序又抛出 IllegalArgumentException 异常。
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
public EnumSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
public static void main(String[] args) {
try {
EnumSingleton enumSingleton = EnumSingleton.INSTANCE;
// 获取无参的构造函数
Constructor<EnumSingleton> constructor = null;
constructor = EnumSingleton.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
// 使用构造函数创建对象
constructor.setAccessible(true);
EnumSingleton reflectInstance = constructor.newInstance("test",1);
System.out.println(enumSingleton == reflectInstance);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
输出：
java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
at java.lang.reflect.Constructor.newInstance(Constructor.java:417)
at singleton.EnumSingleton.main(EnumSingleton.java:31)因为 Constructor 的 newInstance 方法限定了 clazz 的类型不能是 enum，否则抛出异常
@CallerSensitive
public T newInstance(Object ... initargs)
throws InstantiationException, IllegalAccessException,
IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{
...
if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
...
}所以枚举类不能通过反射构建构造函数的方式构建新的实例
序列化
先看看通过序列化破坏单例的例子，其中 Singleton 实现了 Serializable 接口，才有可能通过序列化破坏单例。
public class DobleCheckSingleton implements Serializable {
private DobleCheckSingleton() {
}
private static volatile DobleCheckSingleton dobleCheckSingleton;
public static DobleCheckSingleton getSingleton() {
if (dobleCheckSingleton == null) {
synchronized (DobleCheckSingleton.class) {
if (dobleCheckSingleton == null) {
dobleCheckSingleton = new DobleCheckSingleton();
}
}
}
return dobleCheckSingleton;
}
public static void main(String[] args) {
try {
DobleCheckSingleton dobleCheckSingleton = DobleCheckSingleton.getSingleton();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("SerSingleton.obj"));
oos.writeObject(dobleCheckSingleton);
oos.flush();
oos.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("SerSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
DobleCheckSingleton s1 = (DobleCheckSingleton) ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(dobleCheckSingleton == s1);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
输出：false，单例被破坏枚举类实现，枚举类不实现 Serializable 接口，都可以进行序列化，并且返回原来的单例。
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
public static void main(String[] args) {
try {
EnumSingleton enumSingleton = EnumSingleton.INSTANCE;
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("SerSingleton.obj"));
oos.writeObject(enumSingleton);
oos.flush();
oos.close();
FileInputStream fis = new FileInputStream("SerSingleton.obj");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
EnumSingleton s1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(enumSingleton == s1);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
输出：true原因： 枚举类的 writeObject 方法仅仅是将 Enum.name 写到文件中，反序列化时，根据 readObject 方法的源码定位到 Enum 的 valueOf 方法，他会根据名称返回原来的对象。
克隆
实现 Cloneable 接口重写 clone 方法，但是 Enum 类中 clone 的方法是 final 类型，无法重写，也就不能通过克隆破坏单例。
public abstract class Enum<E extends Enum<E>>
implements Comparable<E>, Serializable {
protected final Object clone() throws CloneNotSupportedException {
throw new CloneNotSupportedException();
}
}不用枚举如何防止单例模式破坏
若实现了序列化接口，重写 readResolve 方法即可，反序列化时将调用该方法返回对象实例
public Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return dobleCheckSingleton;
}通过反射破坏单例的场景，可以在构造方法中判断实例是否已经创建，若已创建则抛出异常
private Singleton(){
if (instance !=null){
throw new RuntimeException("实例已经存在，请通过 getInstance()方法获取");
}
}通过clone破坏单例的场景，可以重写clone方法，返回已有单例对象
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