【单例深思】饿汉式与类加载

本文深入探讨了饿汉式单例模式的实现原理,重点分析了它为何是线程安全的以及为何不能实现延迟加载。通过解析JVM类加载机制,特别是初始化阶段的行为,阐明了饿汉式单例模式的工作机制。

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我们知道饿汉式的实现线程安全的,没有延迟加载(Lazy Loading),下面我们深入研究下为什么。

饿汉式的实现如下:

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getSignleton(){
        return singleton;
    }
}  

在介绍饿汉式时我们大多会说这种实现是线程安全的,实例在类加载时实例化,有JVM保证线程安全。虚拟机是怎么保证饿汉式实现的线程安全?

先介绍类生命周期的7个阶段,前面的5个阶段为类加载阶段,每个阶段作用不详细介绍了:




   首先,singleton 作为类成员变量的实例化发生在类Singleton 类加载的初始化阶段,初始化阶段是执行类构造器<clinit>() 方法的过程。

   <clinit>() 方法是由编译器自动收集类中的所有类变量(static的赋值动作和静态语句块static{})块中的语句合并产生的。因此,private static Singleton singleton = new Singleton();也会被放入到这个方法中。

   虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法,其他线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。需要注意的是,其他线程虽然会被阻塞,但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后,其他线程唤醒后不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下,一个类型只会初始化一次。

回答了线程安全的问题,我们再看看这个实现为什么不是延迟加载的?

    什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段——加载,Java虚拟机规范中没有进行强制的约束,这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有以下5种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前完成)。

  1. 遇到new, getstatic, putstatic, invokestatic这4条字节码指令时,如果类没有进行过初始化,由需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是:使用new关键字实例化对象,读取或设置一个类的静态字段(被fina修饰的静态字段除外,其已在编译期把值放入了常量池中),以及调用一个类的静态方法。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法 对类进行反射时,如果类没有进行过初始化,由需要先触发其初始化。
  3. 初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行初始化,由先触发其父类的初始化。
  4. 当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类),虚拟杨会先初始化这个主类。
  5. 当使用JDK 1.7的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

注意到第一条中的new字节码指令会触发初始化,因为private static Singleton singleton = new Singleton();中就有使用new关键字的情况,可知一旦触发初始化<clinit>() 方法执行,singleton 就会被分配内存完成实例化。单例模式下大部分情况下是调用静态方法getSignleton()被触发初始化,但是也不能100%保证,上述5种情况下,任何一种都会触发初始化,于是就能解释为什么饿汉式不是延迟加载了。

参考:《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》











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