首先舉個用靜態(tài)內(nèi)部類實現(xiàn)單例的例子，看代碼：

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
}

用靜態(tài)內(nèi)部列實現(xiàn)單例模式，既能保證延遲加載，又能保證線程安全，只創(chuàng)建一個實例對象。那么其中原理又是什么呢？

延遲加載

關(guān)于延遲加載的正確性，可通過以下代碼驗證：

public class Outer {
    private Outer() {
        System.out.println("outer instance create");
    }

    static {
        System.out.println("outer init");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("outer main execute");
       //        Outer outer = Inner.outer;
    }

    private static class Inner {
        static {
            System.out.println("inner init");
        }

        private static final Outer outer = new Outer();
    }
}

運行以上代碼，輸出結(jié)果為：

outer init
outer main execute

當把 Outer outer = Inner.outer; 這一行取消注釋后，輸出結(jié)果為

outer init
outer main execute
inner init
outer instance create

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，只有當訪問 Inner 類的靜態(tài)對象的時候，才對該類進行了初始化。根據(jù)此結(jié)果我們提出兩個問題并試圖解決：

Q1: 為什么是先執(zhí)行 靜態(tài)代碼塊，后執(zhí)行 main 方法？
Q2: 為什么直到訪問 Inner.outer時才觸發(fā) Inner 類的初始化？

類加載的時機

類從被加載到虛擬機內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止，整個生命周期包括：加載、驗證、準備、解析、初始化、使用、卸載 7 個階段。

類的生命周期

其中，類的加載過程包括：加載、驗證、準備、解析、初始化。下面說一下這幾個階段都做了什么：

• 加載：在這個階段虛擬機需要完成三件事：
  1、通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節(jié)流。
  2、將這個字節(jié)流代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
  3、在內(nèi)存中生成一個代表這個類的 java.lang.Class 對象，作為方法區(qū)這個類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。
• 驗證：這階段的目的是為了確保 Class 文件的字節(jié)流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，并且不會危害虛擬機自身的安全。
• 準備：此階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設置類變量初始值的階段，這些變量使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中分配。如，int 類型的默認值為 0 ，布爾類型的默認值為 false，非基本類型的初始值為 null 。
• 解析：此階段是虛擬機將常量池的符號引用替換為直接引用的過程。
• 初始化：初始化階段即 執(zhí)行類的 clinit() 方法的階段（clinit = class + initialize，意為類的初始化），包括為類的靜態(tài)變量賦初始值和執(zhí)行靜態(tài)代碼塊中的內(nèi)容，執(zhí)行的先后順序取決于在源文件中出現(xiàn)的順序。

要執(zhí)行一個類的方法，需要先完成該類的初始化，從類生命周期中看出，靜態(tài)代碼塊執(zhí)行時間在初始化階段，調(diào)用 main 方法在 使用階段，故 Q1 回答完畢。

在類的加載階段，加載、驗證、準備、初始化是按照順序嚴格執(zhí)行的。但是 Java 虛擬機規(guī)范并沒有規(guī)定什么情況下執(zhí)行類加載的第一個階段：加載，這一點可以交給虛擬機的具體實現(xiàn)自由把握。

可以但是對于初始化階段，虛擬機規(guī)范嚴格規(guī)定： 有且只有 5 種情況 必須立即對類盡心初始化（加載、驗證、準備自然需要在之前執(zhí)行）：

1） 遇到 new 、getstatic、putstatic 或者 invokestatic 這 4 條字節(jié)碼指令時，如果沒有對類進行初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。這4個指令對應的 Java 場景是：使用 new 新建一個 Java 對象，訪問或者設置一個類的靜態(tài)字段，訪問一個類的靜態(tài)方法的時候。
2）使用 java.lang.reflect 包的方法對類進行反射調(diào)用的時候，如果類沒有進行初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。
3）當初始化一個類的時候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有進行過初始化，則需要先觸發(fā)其父類的初始化。
4）當虛擬機啟動的時候，用戶需要指定一個需要執(zhí)行的主類（包含 main 方法的那個類），虛擬機會先初始化這個類。
5）當使用 JDK 1.7 的動態(tài)語言支持時，如果一個 java.lang.invoke.MethodHandle 實例最后的解析結(jié)果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且這個方法句柄對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。

故 靜態(tài)內(nèi)部類 實現(xiàn)單例模式，是因為觸發(fā)了第一種情況的 getstatic 方法，即訪問該類的靜態(tài)成員變量，這個時候才觸發(fā)了 Inner 類的初始化，至此 Q2 回答完畢。

線程安全

虛擬機會保證一個類的 clinit() 方法在多線程環(huán)境中被正確的加鎖、同步，如果多個線程同事去初始化一個類，那么只有一個線程去執(zhí)行這個類的 clinit() 方法，其他線程都需要阻塞等待，直到活動線程執(zhí)行 clinit() 方法執(zhí)行完畢。如果在一個類的clinit() 方法中有耗時很長的操作，就可能導致多個線程阻塞，在實際應用中這種阻塞往往是很隱蔽的。
舉例驗證一下：

public class Test {
    static Outer out1;
    static Outer out2;
    public static void main(String[] args) {
        //此處為了簡潔，只用了兩個子線程創(chuàng)建對象，實際測試時應增大數(shù)量級
        new Thread(()-> out1 = Outer.getInstance()).start();
        new Thread(()-> out2 = Outer.getInstance()).start();
        try {
            Thread.sleep(2000);//延遲兩秒，讓子線程有充足的時間創(chuàng)建對象.
            System.out.println(out1 == out2);
        } catch(InterruptedException ex) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

運行該段代碼，輸出結(jié)果為

outer instance create
true

即 在不同線程去獲取 Outer 的實例對象，獲得的是同一個對象，因為兩個變量都指向同一內(nèi)存地址，該類的構(gòu)造函數(shù)僅被調(diào)用一次。在加載 Inner 類的初始化階段，實例化了 Outer 類的實例。
一句話總結(jié)：虛擬機保證了線程安全和只創(chuàng)建一個實例。

參考書籍

《深入理解 Java 虛擬機》JVM 高級特性與最佳實踐 --- 周志明