Java 實現單例的難點

有簡單又高效的方法可以實現單例模式，但沒有一種方式能在任何情況下都確保單例的完整性。

單例模式是指某個類只被例項化一次，用來表示全域性或系統範圍的元件。單例模式常用於日誌記錄、工廠、視窗管理器和平臺元件管理等。我認為要儘量避免使用單例模式，因為一旦實現就很難改變或過載，而且會造成編寫測試用例困難、程式碼結構糟糕等問題。另外，下面文章中的單例模式是不安全的。

人們花大量的精力研究怎樣更好地實現單例模式，但有一種簡單高效的實現方法。然而，沒有一種方法能在任何情況下都確保單例的完整性。閱讀下文，看看你是否認同。

Final欄位

這種方法將建構函式私有化，向外提供一個公有的static final物件：

public class FooSingleton {
    public final static FooSingleton INSTANCE = new FooSingleton();
    private FooSingleton() { }
    public void bar() { }
}

類載入時，static物件被初始化，此時私有的建構函式被第一次也是最後一次呼叫。即使在類初始化前有多個執行緒呼叫此類，JVM也能保證執行緒繼續執行時該類已完整初始化。然而，使用反射和setAccessible(true)方法，可以建立其他新的例項：

Constructor[] constructors = FooSingleton.class.getDeclaredConstructors();
Constructor constructor = constructors[0];
constructor.setAccessible(true);
FooSingleton spuriousFoo = (FooSingleton) constructor.newInstance(new Object[0]);

我們需要修改建構函式，使其免於多次呼叫，例如當它被再次呼叫時丟擲異常。如下這樣修改FooSingleton建構函式，可以防範此類攻擊：

public class FooSingleton2 {
    private static boolean INSTANCE_CREATED;
    public final static FooSingleton2 INSTANCE = new FooSingleton2();
    private FooSingleton2() {
        if (INSTANCE_CREATED) {
            throw new IllegalStateException("You must only create one instance of this class");
        } else {
            INSTANCE_CREATED = true;
        }
    }
    public void bar() { }
}

這樣看起來安全一些了，但其實要建立新的例項還是一樣容易。我們只需修改INSTANCE_CREATED欄位，再玩同樣的把戲就可以了：

Field f = FooSingleton2.class.getDeclaredField("INSTANCE_CREATED");
f.setAccessible(true);
f.set(null, false);
Constructor[] constructors = FooSingleton2.class.getDeclaredConstructors();
Constructor constructor = constructors[0];
constructor.setAccessible(true);
FooSingleton2 spuriousFoo = (FooSingleton2) constructor.newInstance(new Object[0]);

我們採取的任何防範措施都可能被繞過，所以此方案並不可行。

靜態工廠

使用這種方法，公有的成員類似靜態工廠：

public class FooSingleton3 {
    public final static FooSingleton3 INSTANCE = new FooSingleton3();
    private FooSingleton3() { }
    public static FooSingleton3 getInstance() { return INSTANCE; }
    public void bar() { }
}

getInstance()方法返回的永遠是同一個物件引用。雖然這個方案也無法防範反射，但還是有它的一些優點。例如，可以在不改變API的情況下，改變單例的實現。getInstance()出現在幾乎所有的單例實現中，它也標誌著這真的是一個單例模式。

延遲載入的單例模式

（譯者注：在軟體工程中，Initialization-on-demand holder 這個習語指的就是延遲載入的單例模式，參見維基百科）

如果希望儘可能延遲單例的建立（懶漢式載入），可以使用延遲初始化方法，當getInstance()方法第一次呼叫時執行緒安全地建立單例。相比之前的方案當第一次引用該類時就建立單例（餓漢式載入），這是一個進步。如下：

public class FooSingleton4 {
    private FooSingleton4() {
    }
    public static FooSingleton4 getInstance() {
        return FooSingleton4Holder.INSTANCE;
    }
    private static class FooSingleton4Holder {
        private static final FooSingleton4 INSTANCE = new FooSingleton4();
    }
}

要小心序列化

如果單例實現了序列化，它就要面臨另一個威脅。因此需要將所有欄位宣告為transient（這樣它就不會被序列化）並提供一個自定義的readResolve()方法返回唯一例項INSTANCE的引用。

列舉

這裡用列舉作為單例INSTANCE的容器：

public enum FooEnumSingleton {
    INSTANCE;
    public static FooEnumSingleton getInstance() { return INSTANCE; }
    public void bar() { }
}

根據Java語言規範8.9，“Enum的final克隆方法保證列舉永遠無法被克隆，其特殊的序列化機制保證無法反序列化得到拷貝的物件。同時，還禁止利用反射對列舉進行例項化。保證了這四個方面，在列舉常量之外，就不會有其他同類的列舉例項存在。”

這樣，我們似乎很簡單地就防範了序列化、克隆和反射的攻擊。第一次看到這段話，我立刻想要證明它是錯的。如下程式碼所示，繞過這些保護是很容易的：

 Constructor con = FooEnumSingleton.class.getDeclaredConstructors()[0];
 Method[] methods = con.getClass().getDeclaredMethods();
 for (Method method : methods) {
     if (method.getName().equals("acquireConstructorAccessor")) {
         method.setAccessible(true);
         method.invoke(con, new Object[0]);
     }
  }
  Field[] fields = con.getClass().getDeclaredFields();
  Object ca = null;
  for (Field field : fields) {
      if (field.getName().equals("constructorAccessor")) {
          field.setAccessible(true);
          ca = field.get(con);
      }
  }
  Method method = ca.getClass().getMethod("newInstance", new Class[]{Object[].class});
  method.setAccessible(true);
  FooEnumSingleton spuriousEnum = (FooEnumSingleton) method.invoke(ca, new Object[]{new Object[]{"SPURIOUS_INSTANCE", 1}});
  printInfo(FooEnumSingleton.INSTANCE);
  printInfo(spuriousEnum);
}
private static void printInfo(FooEnumSingleton e) {
    System.out.println(e.getClass() + ":" + e.name() + ":" + e.ordinal());
}

執行這段程式碼，得到結果：

class com.blogspot.minborgsjavapot.singleton.FooEnumSingleton:INSTANCE:0
class com.blogspot.minborgsjavapot.singleton.FooEnumSingleton:SPURIOUS_INSTANCE:1

列舉的缺點是它無法從另一個基類繼承，因為它已經繼承自java.lang.Enum。如果想要模擬這種繼承，可以參考我另一篇文章中介紹的混入模式（mixin pattern）。

列舉的一個優點是，如果你之後希望有“二例（dualton）”或“三例（tringleton）”，只需要增加新的列舉例項即可。例如，有了一個單例的快取之後，你也許還想給快取引入多個層次。

結論

儘管繞過單例的這些保護並不容易，但確實沒有一種萬無一失的方案。如果你有更好的方案，請不吝賜教！

列舉是實現單例模式的簡單而又高效的方法。如果想要有繼承或懶漢式載入，延遲初始化方案是不錯的選擇。

祝你的單例好運！