【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 e  e.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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