一题搞定static关键字

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^[1]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^[2]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> ^[3] 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>和<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。

参考资料