Java 實作單例的困難點

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別只被實例化一次，用來表示全域或系統範圍的元件。單例模式常用於日誌記錄、工廠、視窗管理器和平台元件管理等。我認為要盡量避免使用單例模式，因為一旦實作就很難改變或重載，而且會造成編寫測試案例困難、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

這種方法將建構子私有化，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() { }}

類別載入時，static物件被初始化，此時私有的建構子被第一次也是最後一次調用。即使在類別初始化前有多個執行緒呼叫此類，JVM也能保證執行緒繼續運行時該類別已完整初始化。然而，使用反射和setAccessible(true)方法，可以創建其他新的實例：

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

我們需要修改構造函數，使其免於多次調用，例如當它被再次調用時拋出異常。如下這樣修改FooSingleton建構函數，可以防範這類攻擊：

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，但其實要創建新的實例還是一樣容易。我們只需修改INSTANCE_CREATED字段，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參考。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，改變單例的實作。 getInstance()出現在幾乎所有的單例實作中，它也標誌著這真的是一個單例模式。

延遲加載的單例模式

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

如果希望盡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。相較於之前的方案當第一次引用該類別時就建立單例（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）並提供一個自訂的readResolve()方法傳回唯一實例INSTANCE的參考。

枚舉

這裡用枚舉作為單例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克隆方法保證枚舉永遠無法被克隆，其特殊的序列化機制保證無法反序列化得到拷貝的物件。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

枚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）。

枚舉的一個優點是，如果你之後希望有“二例（dualton）”或“三例（tringleton）”，只需要增加新的枚舉實例即可。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！

枚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加載，延遲初始化方案是不錯的選擇。

祝你的單例好運！