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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：

使用 new 关键字实例化对象的时候
读取或设置一个类型的静态字段（常量除外）
调用一个类型的静态方法
使用反射调用类的时候
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
虚拟机启动时，会先初始化主类（包含 main() 方法的那个类）
当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。
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