从源头解读单例模式——深入剖析其背后机制

Android

2023-09-08 00:36:34

当谈到软件设计模式时，单例模式无疑是使用频率最高的一种设计模式之一。为了深入理解单例模式，我们必须从类的初始化过程说起。

类加载、初始化和单例模式

在类实例化之前，JVM会执行类加载。类加载的最后一步就是进行类的初始化，在这个阶段，会执行类构造器<clinit>方法，其主要工作就是初始化类中静态的变量和代码块。

类加载

在Java中，类的加载是一个动态的过程，当第一次使用该类时，才会触发其加载过程。类的加载过程分为三个阶段：

加载：JVM会从文件系统中读取类文件，并将其加载到内存中。
验证：JVM会对加载的类文件进行验证，以确保其符合Java虚拟机的规范。
准备：JVM会为类中的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。

类初始化

在类的加载过程完成之后，JVM会执行类的初始化过程。类的初始化过程分为两个阶段：

静态变量初始化 ：JVM会初始化类中所有的静态变量。
静态代码块初始化 ：JVM会执行类中所有的静态代码块。

单例模式与类初始化

单例模式是一种设计模式，它确保某一个类只有一个实例。为了实现这一目标，单例类需要在第一次使用时加载并初始化。然后，当再次使用该类时，JVM不会再次加载和初始化该类，而是直接返回之前创建的实例。

单例模式的实现

单例模式有多种实现方式，其中最常见的包括延迟加载、饿汉式和懒汉式。

延迟加载

延迟加载是一种最简单的单例模式实现方式。在延迟加载的实现中，单例类只在第一次使用时才被加载和初始化。这种实现方式的好处是，只有在需要时才加载和初始化单例类，从而节省了内存和CPU资源。

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有构造器，防止外部实例化
    }

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

饿汉式

饿汉式是一种更简单的单例模式实现方式。在饿汉式的实现中，单例类在类加载时就被加载和初始化。这种实现方式的好处是，单例类在任何时候都可以使用，无需等待第一次使用时才加载和初始化。

public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
        // 私有构造器，防止外部实例化
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

懒汉式

懒汉式是一种更复杂的单例模式实现方式。在懒汉式的实现中，单例类在第一次使用时才被加载和初始化。然而，与延迟加载不同的是，懒汉式在第一次使用时不会立即加载和初始化单例类，而是先创建一个单例类的引用，然后在第一次使用时再加载和初始化单例类。这种实现方式的好处是，只有在需要时才加载和初始化单例类，从而节省了内存和CPU资源。

public class Singleton {

    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有构造器，防止外部实例化
    }

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