基础不牢,地动山摇

开篇一道题,考察代码执行顺序:

public class Parent {
    static {
        System.out.println("Parent static initial block");
    }

    {
        System.out.println("Parent initial block");
    }

    public Parent() {
        System.out.println("Parent constructor block");

    }
}

public class Child extends Parent {
    static {
        System.out.println("Child static initial block");
    }

    {
        System.out.println("Child initial block");
    }
    
    private Hobby hobby = new Hobby();

    public Child() {
        System.out.println("Child constructor block");
    }
}

public class Hobby {
    static{
        System.out.println("Hobby static initial block");
    }

    public Hobby() {
        System.out.println("hobby constructor block");
    }
}

当执行new Child()时,上述代码输出什么?

相信有不少同学遇到过这类问题,可能查过资料之后接着就忘了,再次遇到还是答不对。接下来课代表通过4个步骤,带大家拆解一下这段代码的执行顺序,并借此总结规律。

1.编译器优化了啥?

下面两段代码对比一下编译前后的变化:

编译前的Child.java

public class Child extends Parent {
    static {
        System.out.println("Child static initial block");
    }
    {
        System.out.println("Child initial block");
    }
    
    private Hobby hobby = new Hobby();
    
    public Child() {
        System.out.println("Child constructor block");
    }
}

编译后的Child.class

public class Child extends Parent {
    private Hobby hobby;

    public Child() {
        System.out.println("Child initial block");
        this.hobby = new Hobby();
        System.out.println("Child constructor block");
    }

    static {
        System.out.println("Child static initial block");
    }
}

通过对比可以看到,编译器把初始化块和实例字段的赋值操作,移动到了构造函数代码之前,并且保留了相关代码的先后顺序。事实上,如果构造函数有多个,初始化代码也会被复制多份移动过去。

据此可以得出第一条优先级顺序:

  • 初始化代码 > 构造函数代码

2.static 有啥作用?

类的加载过程可粗略分为三个阶段:加载 -> 链接 -> 初始化

初始化阶段可被8种情况触发:

  1. 使用 new 关键字实例化对象的时候
  2. 读取或设置一个类型的静态字段(常量除外)
  3. 调用一个类型的静态方法
  4. 使用反射调用类的时候
  5. 当初始化类的时候,如果发现父类还没有进行过初始化,则先触发其父类初始化
  6. 虚拟机启动时,会先初始化主类(包含main()方法的那个类)
  7. 当初次调用 MethodHandle 实例时,初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。
  8. 如果接口中定义了默认方法(default 修饰的接口方法),该接口的实现类发生了初始化,则该接口要在其之前被初始化

其中的2,3条目是被static代码触发的。

其实初始化阶段就是执行类构造器<clinit> 方法的过程,这个方法是编译器自动生成的,里面收集了static修饰的所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{} 块),并且保留这些代码出现的先后顺序。

根据条目5,JVM 会保证在子类的<clinit>方法执行前,父类的<clinit>方法已经执行完毕。

小结一下:访问类变量或静态方法,会触发类的初始化,而类的初始化就是执行<clinit>,也就是执行 static 修饰的赋值动作和static{}块,并且 JVM 保证先执行父类初始化,再执行子类初始化。

由此得出第二条优先级顺序:

  • 父类的static代码 > 子类的static代码

3.static 代码只执行一次

我们都知道,static代码(静态方法除外)只执行一次。

你有没有想过,这个机制是如何保证的呢?

答案是:双亲委派模型。

JDK8 及之前的双亲委派模型是:

应用程序类加载器 → 扩展类加载器 → 启动类加载器

平时开发中写的类,默认都是由 应用程序类加载器加载,它会委派给其父类:扩展类加载器。而扩展类加载器又会委派给其父类:启动类加载器。只有当父类加载器反馈无法完成这个加载请求时,子加载器才会尝试自己去完成加载,这个过程就是双亲委派。三者的父子关系并不是通过继承,而是通过组合模式实现的。

该过程的实现也很简单,下面展示关键实现代码:

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
    // 首先检查该类是否被加载过
    // 如果加载过,直接返回该类
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // 如果父类抛出ClassNotFoundException
            // 说明父类无法完成加载请求
        }

        if (c == null) {
            // 如果父类无法加载,转由子类加载
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

结合注释相信大家很容易看懂。

由双亲委派的代码可知,同一个类加载器下,一个类只能被加载一次,也就限定了它只能被初始化一次。所以类中的 static代码(静态方法除外)只在类初始化时执行一次

4. <init><clinit>

前面已经介绍了编译器自动生成的类构造器:<clinit>方法,它会收集static修饰的所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{} 块)并保留代码的出现顺序,它会在类初始化时执行

相应的,编译器还会生成一个<init>方法,它会收集实例字段的赋值动作、初始化语句块({}块)和构造器(Constructor)中的代码,并保留代码的出现顺序,它会在 new 指令之后接着执行

所以,当我们new 一个类时,如果JVM未加载该类,则先对其进行初始化,再进行实例化。

至此,第三条优先级规则也就呼之欲出了:

  • 静态代码(static{}块、静态字段赋值语句) > 初始化代码({}块、实例字段赋值语句)

5. 规律实践

将前文的三条规则合并,总结出如下两条:

1.静态代码(static{}块、静态字段赋值语句) > 初始化代码({}块、实例字段赋值语句) > 构造函数代码

2.父类的static代码 > 子类的static代码

根据前文总结,初始化代码和构造函数代码被编译器收集到了<init>中,静态代码被收集到了<clinit>中,所以再次对上述规律做合并:

父类<clinit> > 子类<clinit> > 父类 <init> > 子类 <init>

对应到开篇的问题,我们来实践一下:

当执行new Child()时,new关键字触发了 Child 类的初始化 ,JVM 发现其有父类,则先初始化 Parent 类,开始执行Parent类的<clinit>方法,然后执行 Child 类的<clinit>方法(还记得<clinit>里面收集了什么吗?)。

然后开始实例化 一个Child类的对象,此时准备执行 Child 的<init>方法,发现它有父类,优先执行父类的<init>方法,然后再执行子类的<init>(还记得<init>里面收集了什么吗?)。

相信看到这里,各位心中已经对开篇的问题有答案了,不妨先手写一下输出顺序,然后写代码亲自验证一下。

结束语

平时开发中经常用到static,每次写的时候,心里总会打两个问号,我为什么要用static?不用行不行?这正应了开篇的第一句话:

基础不牢,地动山摇

通过本文可以看出,static的应用远远不止类变量,静态方法那么简单。在经典的单例模式中,你将看到static的各种用法,下一篇就写如何花式编写单例模式。

附运行结果:

static-execute-result.png


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