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(参考《深入理解Java虚拟机(第三版)周志明》P359)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> 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。

附上答案：

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