面试题：Java 反射机制对单例模式的破坏及防御策略

Question

Java 的反射机制可以破坏单例模式，请编写代码展示如何通过反射破坏一个已实现的单例模式，然后提出并实现至少一种能够防止反射破坏单例模式的防御策略，并解释其原理。

Answer 1

通过反射破坏单例模式代码示例

假设我们有一个简单的单例类：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

通过反射破坏单例模式的代码如下：

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

public class ReflectionSingletonBreak {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取Singleton类的构造函数
            Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
            // 设置构造函数可访问，因为构造函数是private的
            constructor.setAccessible(true);
            // 通过反射创建实例
            Singleton instance1 = constructor.newInstance();
            Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
            System.out.println("instance1 == instance2: " + (instance1 == instance2));
        } catch (NoSuchMethodException | IllegalAccessException | InvocationTargetException | InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

防止反射破坏单例模式的防御策略及实现

1. 在构造函数中检查实例是否已存在 原理：在构造函数中检查是否已经有实例存在，如果存在则抛出异常，防止多次创建实例。 代码修改如下：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException("Singleton instance already exists.");
        }
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

在这种情况下，当反射尝试调用构造函数时，如果实例已经存在，就会抛出异常，从而防止反射破坏单例模式。

2. 使用枚举实现单例 原理：枚举类型在Java中本身就保证了全局唯一，并且JVM会确保枚举类型的实例化是线程安全且不会被反射破坏。 代码如下：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    // 可以在这里添加其他方法和属性
}

使用方式：

public class EnumSingletonUser {
    public static void main(String[] args) {
        EnumSingleton instance1 = EnumSingleton.INSTANCE;
        EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.INSTANCE;
        System.out.println("instance1 == instance2: " + (instance1 == instance2));
    }
}

由于枚举类型的特殊性，反射无法创建新的实例，从而有效防止反射破坏单例模式。