深入理解static关键字

程序员Leo

发布于 2023-08-02 14:30:03

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代码可运行

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代码可运行

static 是我们日常生活中经常用到的关键字，也是 Java 中非常重要的一个关键字，static 可以修饰变量、方法、做静态代码块、静态导包等，下面我们就来具体聊一聊这个关键字，我们先从基础开始，从基本用法入手，然后分析其原理、优化等。

# 1. 初识 static 关键字

# 1.1 static 修饰变量

static 关键字表示的概念是 全局的、静态的 ，用它修饰的变量被称为 静态变量 。

public class TestStatic {
    
    static int i = 10; // 定义了一个静态变量 i 
}

静态变量也被称为类变量，静态变量是属于这个类所有的。什么意思呢？这其实就是说，static 关键字只能定义在类的 {} 中，而不能定义在任何方法中。

就算把方法中的 static 关键字去掉也是一样的。

static 属于类所有，由类来直接调用 static 修饰的变量，它不需要手动实例化类进行调用

public class TestStatic {

    static int i = 10;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(TestStatic.i);
    }
}

这里你需要理解几个变量的概念

定义在构造方法、代码块、方法 外 的变量被称为实例变量，实例变量的副本数量和实例的数量一样。
定义在方法、构造方法、代码块 内 的变量被称为局部变量；
定义在方法参数 中 的变量被称为参数。

详情参考

# 1.2 static 修饰方法

static 可以修饰方法，被 static 修饰的方法被称为 静态方法 ，其实就是在一个方法定义中加上 static 关键字进行修饰，例如下面这样

static void sayHello(){}

《Java 编程思想》在 P86 页有一句经典的描述

static 方法就是没有 this 的方法，在 static 内部不能调用非静态方法，反过来是可以的。而且可以在没有创建任何对象的前提下，仅仅通过类本身来调用 static 方法，这实际上是 static 方法的主要用途。

其中有一句非常重要的话就是 static 方法就是没有 this 的方法，也就是说，可以在不用创建对象的前提下就能够访问 static 方法，如何做到呢？看下面一段代码

在上面的例子中，由于 staticMethod 是静态方法，所以能够使用类名。变量名进行调用。

因此，如果说想在不创建对象的情况下调用某个方法，就可以将这个方法设置为 static。平常我们见的最多的 static 方法就是 main 方法，至于为什么 main 方法必须是 static 的，现在应该很清楚了。因为程序在执行 main 方法的时候没有创建任何对象，因此只有通过类名来访问。

static 修饰方法的注意事项

首先第一点就是最常用的，不用创建对象，直接 类名.变量名 即可访问；
static 修饰的方法内部不能调用非静态方法；

非静态方法内部可以调用 static 静态方法。

# 1.3 static 修饰代码块

static 关键字可以用来修饰代码块，代码块分为两种，一种是使用 {} 代码块；一种是 static {} 静态代码块。static 修饰的代码块被称为静态代码块。静态代码块可以置于类中的任何地方，类中可以有多个 static 块，在类初次被加载的时候，会按照 static 代码块的顺序来执行，每个 static 修饰的代码块只能执行一次。我们会面会说一下代码块的加载顺序。下面是静态代码块的例子

static 代码块可以用来优化程序执行顺序，是因为它的特性：只会在类加载的时候执行一次。

# 1.4 static 用作静态内部类

内部类的使用场景比较少，但是内部类还有具有一些比较有用的。在了解静态内部类前，我们先看一下内部类的分类

普通内部类
局部内部类
静态内部类
匿名内部类

静态内部类 就是用 static 修饰的内部类，静态内部类可以包含静态成员，也可以包含非静态成员，但是在非静态内部类中不可以声明静态成员。

静态内部类有许多作用，由于非静态内部类的实例创建需要有外部类对象的引用，所以非静态内部类对象的创建必须依托于外部类的实例；而静态内部类的实例创建只需依托外部类；

并且由于非静态内部类对象持有了外部类对象的引用，因此非静态内部类可以访问外部类的非静态成员；而静态内部类只能访问外部类的静态成员；

内部类需要脱离外部类对象来创建实例
避免内部类使用过程中出现内存溢出

public class ClassDemo {
  
    private int a = 10;
    private static int b = 20;

    static class StaticClass{
        public static int c = 30;
        public int d = 40;
      
        public static void print(){
            //下面代码会报错，静态内部类不能访问外部类实例成员
            //System.out.println(a);
     
            //静态内部类只可以访问外部类类成员
            System.out.println("b = "+b);
            
        }
      
        public void print01(){
            //静态内部内所处的类中的方法，调用静态内部类的实例方法，属于外部类中调用静态内部类的实例方法
            StaticClass sc = new StaticClass();
            sc.print();
        }   
    }
}

# 1.5 静态导包

不知道你注意到这种现象没有，比如你使用了 java.util 内的工具类时，你需要导入 java.util 包，才能使用其内部的工具类，如下

但是还有一种导包方式是使用 静态导包 ，静态导入就是使用 import static 用来导入某个类或者某个包中的静态方法或者静态变量。

import static java.lang.Integer.*;

public class StaticTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(MAX_VALUE);
        System.out.println(toHexString(111));
    }
}

# 2. static 进阶知识

我们在了解了 static 关键字的用法之后，来看一下 static 深入的用法，也就是由浅入深，慢慢来，前戏要够～

# 2.1 关于 static 的所属类

static 所修饰的属性和方法都属于类的，不会属于任何对象；它们的调用方式都是 类名.属性名/方法名 ，而实例变量和局部变量都是属于具体的对象实例。

# 2.2 static 修饰变量的存储位置

首先，先来认识一下 JVM 的不同存储区域。

虚拟机栈 : Java 虚拟机栈是线程私有的数据区，Java 虚拟机栈的生命周期与线程相同，虚拟机栈也是局部变量的存储位置。方法在执行过程中，会在虚拟机栈种创建一个 栈帧(stack frame) 。
本地方法栈 ：本地方法栈也是线程私有的数据区，本地方法栈存储的区域主要是 Java 中使用 native 关键字修饰的方法所存储的区域
程序计数器 ：程序计数器也是线程私有的数据区，这部分区域用于存储线程的指令地址，用于判断线程的分支、循环、跳转、异常、线程切换和恢复等功能，这些都通过程序计数器来完成。
方法区 ：方法区是各个线程共享的内存区域，它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，也就是说，static 修饰的变量存储在方法区中
堆 ：堆是线程共享的数据区，堆是 JVM 中最大的一块存储区域，所有的对象实例，包括实例变量都在堆上进行相应的分配。

# 2.3 static 变量的生命周期

static 变量的生命周期与类的生命周期相同，随类的加载而创建，随类的销毁而销毁；普通成员变量和其所属的生命周期相同。

# 2.4 static 序列化

我们知道，序列化的目的就是为了 把 Java 对象转换为字节序列。对象转换为有序字节流，以便其能够在网络上传输或者保存在本地文件中。

声明为 static 和 transient 类型的变量不能被序列化，因为 static 修饰的变量保存在方法区中，只有堆内存才会被序列化。而 transient 关键字的作用就是防止对象进行序列化操作。

# 2.5 类加载顺序

我们前面提到了类加载顺序这么一个概念，static 修饰的变量和静态代码块在使用前已经被初始化好了，类的初始化顺序依次是

加载父类的静态字段 -> 父类的静态代码块 -> 子类静态字段 -> 子类静态代码块 -> 父类成员变量（非静态字段）

-> 父类非静态代码块 -> 父类构造器 -> 子类成员变量 -> 子类非静态代码块 -> 子类构造器

# 2.6 static 经常用作日志打印

我们在开发过程中，经常会使用 static 关键字作为日志打印，下面这行代码你应该经常看到

private static final Logger LOGGER = LogFactory.getLoggger(StaticTest.class);

然而把 static 和 final 去掉都可以打印日志

private final Logger LOGGER = LogFactory.getLoggger(StaticTest.class);
private Logger LOGGER = LogFactory.getLoggger(StaticTest.class);

但是这种打印日志的方式存在问题

对于每个 StaticTest 的实例化对象都会拥有一个 LOGGER，如果创建了 1000 个 StaticTest 对象，则会多出 1000 个 Logger 对象，造成资源的浪费，因此通常会将 Logger 对象声明为 static 变量，这样一来，能够减少对内存资源的占用。

# 2.7 static 经常用作单例模式

由于单例模式指的就是对于不同的类来说，它的副本只有一个，因此 static 可以和单例模式完全匹配。

下面是一个经典的双重校验锁实现单例模式的场景

public class Singleton {
  
    private static volatile Singleton singleton;
 
    private Singleton() {}
 
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

来对上面代码做一个简单的描述

使用 static 保证 singleton 变量是静态的，使用 volatile 保证 singleton 变量的可见性，使用私有构造器确保 Singleton 不能被 new 实例化。

使用 Singleton.getInstance() 获取 singleton 对象，首先会进行判断，如果 singleton 为空，会锁住 Singletion 类对象，这里有一些小伙伴们可能不知道为什么需要两次判断，这里来解释下

如果线程 t1 执行到 singleton == null 后，判断对象为 null，此时线程把执行权交给了 t2，t2 判断对象为 null，锁住 Singleton 类对象，进行下面的判断和实例化过程。如果不进行第二次判断的话，那么 t1 在进行第一次判空后，也会进行实例化过程，此时仍然会创建多个对象。

# 3. 类的构造器是否是 static 的

这个问题我相信大部分小伙伴都没有考虑过，在 Java 编程思想中有这么一句话 类的构造器虽然没有用 static 修饰，但是实际上是 static 方法，但是并没有给出实际的解释，但是这个问题可以从下面几个方面来回答

static 最简单、最方便记忆的规则就是没有 this 引用。而在类的构造器中，是有隐含的 this 绑定的，因为构造方法是和类绑定的，从这个角度来看，构造器不是静态的。
从类的方法这个角度来看，因为 类.方法名 不需要新创建对象就能够访问，所以从这个角度来看，构造器也不是静态的
从 JVM 指令角度去看，我们来看一个例子

public class StaticTest {

    public StaticTest(){}

    public static void test(){

    }

    public static void main(String[] args) {
        StaticTest.test();
        StaticTest staticTest = new StaticTest();
    }
}

我们使用 javap -c 生成 StaticTest 的字节码看一下

public class test.StaticTest {
  public test.StaticTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void test();
    Code:
       0: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: invokestatic  #2                  // Method test:()V
       3: new           #3                  // class test/StaticTest
       6: dup
       7: invokespecial #4                  // Method "<init>":()V
      10: astore_1
      11: return
}

我们发现，在调用 static 方法时是使用的 invokestatic 指令，new 对象调用的是 invokespecial 指令，而且在 JVM 规范中 https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html#jvms-6.5.invokestatic 说到