本文详细探讨了Java中的static关键字，包括静态变量、静态方法、静态代码块的概念及应用，以及final关键字如何用于创建不可变类和变量，解释了它们在并发环境中的作用。
深入学习java源码之System.console()与System.load()
static关键字
用static修饰变量，称之为静态变量，也叫类变量。在类加载的时候加载到了方法区，并且在方法区中被赋予了默认值。静态变量是先于对象出现的，所以习惯上是通过类名来调用静态变量。每一个对象存储的是这个静态变量在方法区中的地址，所以静态变量是被这个类的所有对象所共享的。
静态变量能否定义到构造方法中？ --- 不能。静态变量是在类加载的时候出现，先于对象出现。构造方法在创建对象的时候执行。
注意：
1.类是加载到方法区中的
2.类是在第一次使用的时候才加载，加载之后就不会移除
定义一个类，统计这个类创建对象的个数。
public class StaticExer {
public static void main(String[] args) {
new SDemo();
new SDemo();
new SDemo();
System.out.println(SDemo.count);
}
}
class SDemo{
static int count = 0;//如果不用 static 则每一个对象创建的时候，都会赋值为 0 ，然后再加一次，只能是1
public SDemo(){
count++;
}
}静态方法
用 static 修饰的方法，称之为静态方法。静态方法随着类的加载而加载到方法区中，但是在方法区中不执行只存储，在方法被调用的时候到栈内存执行。静态方法先于对象存在，所以习惯上是通过类名来调用静态方法。
main Arrays.sort(); System.arraycopy();
静态方法中可以定义静态变量吗？ --- 不能 --- 静态方法在调用的时候执行，静态方法执行的时候里面的变量才能初始化；静态变量是在类加载的时候初始化。
静态方法中能否使用 this/super？ --- 不能 --- this 代表当前在活动的对象，静态方法先于对象存在
能否在静态方法中直接使用本类中的非静态方法/非静态属性？ --- 不行
静态方法可以重载吗？ --- 可以（讲重载的时候，默认都是写的 public static ）
静态方法可以被继承吗？--- 可以
静态方法可以重写吗？--- 不可以
静态方法虽然不能被重写，但是父子类中可以存在方法签名一致的静态方法 --- 静态方法的隐藏（hide）
注意：父子类中可以存在方法签名一致的方法，要么都是非静态（重写）要么都是静态（隐藏）
静态代码块
用static{ }包起来的代码 --- 在类加载的时候执行一次
执行顺序：父类静态 -> 子类静态 -> 父类非静态 -> 父类的构造方法 -> 子类非静态 -> 子类的构造方法
public class StaticDemo5 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(D.i);
}
}
class D{
static int j = 5;//先将静态变量i放入方法区，并且标记一个值为0;在初始化阶段，再检查i是否有初始值0,如果没有初始值，则将标记值0赋值进去；
//如果有初始值，则将初始值设置进去，抛弃标记值，然后顺次执行静态代码块，将静态变量i的值改为7
{
j = 7;
}
//在类加载阶段，由于i处于一个标记值状态，所以实际上是无值的，所以此时不允许直接操作
static{ //先将静态变量i放入方法区，并且标记一个值为0;在初始化阶段，先执行静态代码块，对于i=7;并不是将7直接赋值给i;检查i是否有初始值，
//如果没有初始值，则将标记值7赋值进去；如果有初始值则抛弃标记值，将初始值5赋值进去
i = 7;
i = 9;
//i -= 5;//进行运算就报错了，类在加载的时候是分了 5 个阶段：准备（加载这个类中的静态变量并标记默认值） -> 初始化（初始化静态变量，执行静态代码块）
}
static int i = 5;
}
final关键字
final可以修饰变量，方法和类，用于表示所修饰的内容一旦赋值之后就不会再被改变，比如String类就是一个final类型的类。
final 修饰数据的时候 ---- 常量 ->定义好之后不可改变。如果 final 修饰的是基本数据类型的数据，那么指的是实际值不可变；如果 final 修饰的引用类型的数据，那么指的是地址不可变，但是对象中的元素或者属性值可以改变 --- 对于成员常量要求在对象创建完成之前给值；对于静态常量而言要求在类加载完成之前给值。
arr.length System.in System.out
注意：常量的存储和方法区中的运行时常量池有关。
final修饰方法 --- 最终方法，能被继承但是不可被重写/隐藏，能被重载
final修饰类 --- 最终类 --- 不能被继承（里面的方法现阶段也不能被重写）System
final成员变量
通常每个类中的成员变量可以分为类变量（static修饰的变量）以及实例变量。针对这两种类型的变量赋初值的时机是不同的，类变量可以在声明变量的时候直接赋初值或者在静态代码块中给类变量赋初值。而实例变量可以在声明变量的时候给实例变量赋初值，在非静态初始化块中以及构造器中赋初值。类变量有两个时机赋初值，而实例变量则可以有三个时机赋初值。当final变量未初始化时系统不会进行隐式初始化，会出现报错。
- 类变量：必须要在静态初始化块中指定初始值或者声明该类变量时指定初始值，而且只能在这两个地方之一进行指定；
- 实例变量：必要要在非静态初始化块，声明该实例变量或者在构造器中指定初始值，而且只能在这三个地方进行指定。
final局部变量
final局部变量由程序员进行显式初始化，如果final局部变量已经进行了初始化则后面就不能再次进行更改，如果final变量未进行初始化，可以进行赋值，当且仅有一次赋值，一旦赋值之后再次赋值就会出错。下面用具体的代码演示final局部变量的情况：
final基本数据类型 VS final引用数据类型
如果final修饰的是一个基本数据类型的数据，一旦赋值后就不能再次更改，那么，如果final是引用数据类型了？这个引用的对象能够改变吗？
public class FinalExample {
//在声明final实例成员变量时进行赋值
private final static Person person = new Person(24, 170);
public static void main(String[] args) {
//对final引用数据类型person进行更改
person.age = 22;
System.out.println(person.toString());
}
static class Person {
private int age;
private int height;
public Person(int age, int height) {
this.age = age;
this.height = height;
}
@Override
public String toString() {
return "Person{" +
"age=" + age +
", height=" + height +
'}';
}
}
}当我们对final修饰的引用数据类型变量person的属性改成22，是可以成功操作的。通过这个实验我们就可以看出来当final修饰基本数据类型变量时，不能对基本数据类型变量重新赋值，因此基本数据类型变量不能被改变。而对于引用类型变量而言，它仅仅保存的是一个引用，final只保证这个引用类型变量所引用的地址不会发生改变，即一直引用这个对象，但这个对象属性是可以改变的。
宏变量
利用final变量的不可更改性，在满足一下三个条件时，该变量就会成为一个“宏变量”，即是一个常量。
- 使用final修饰符修饰；
- 在定义该final变量时就指定了初始值；
- 该初始值在编译时就能够唯一指定。
注意：当程序中其他地方使用该宏变量的地方，编译器会直接替换成该变量的值
方法
当父类的方法被final修饰的时候，子类不能重写父类的该方法，比如在Object中，getClass()方法就是final的，我们就不能重写该方法，但是hashCode()方法就不是被final所修饰的，我们就可以重写hashCode()方法。
public class FinalExampleParent {
public final void test() {
}
}当重写test()方法时出现报错，我们就可以看出来被final修饰的方法不能够被子类所重写。
重载？
被final修饰的方法是可以重载的。
1. 父类的final方法是不能够被子类重写的
2. final方法是可以被重载的
public class FinalExampleParent {
public final void test() {
}
public final void test(String str) {
}
}类
当一个类被final修饰时，表名该类是不能被子类继承的。子类继承往往可以重写父类的方法和改变父类属性，会带来一定的安全隐患，因此，当一个类不希望被继承时就可以使用final修饰。
父类会被final修饰，当子类继承该父类的时候，就会报错。
不变类的意思是创建该类的实例后，该实例的实例变量是不可改变的。满足以下条件则可以成为不可变类：
- 使用private和final修饰符来修饰该类的成员变量
- 提供带参的构造器用于初始化类的成员变量；
- 仅为该类的成员变量提供getter方法，不提供setter方法，因为普通方法无法修改fina修饰的成员变量；
- 如果有必要就重写Object类 的hashCode()和equals()方法，应该保证用equals()判断相同的两个对象其Hashcode值也是相等的。
JDK中提供的八个包装类和String类都是不可变类，我们来看看String的实现。
/** The value is used for character storage. */
private final char value[];final域为基本类型
public class FinalDemo {
private int a; //普通域
private final int b; //final域
private static FinalDemo finalDemo;
public FinalDemo() {
a = 1; // 1. 写普通域
b = 2; // 2. 写final域
}
public static void writer() {
finalDemo = new FinalDemo();
}
public static void reader() {
FinalDemo demo = finalDemo; // 3.读对象引用
int a = demo.a; //4.读普通域
int b = demo.b; //5.读final域
}
}假设线程A在执行writer()方法，线程B执行reader()方法
写final域的重排序规则禁止对final域的写重排序到构造函数之外，这个规则的实现主要包含了两个方面：
- JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外；
- 编译器会在final域写之后，构造函数return之前，插入一个storestore屏障（关于内存屏障可以看这篇文章）。这个屏障可以禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。
我们再来分析writer方法，虽然只有一行代码，但实际上做了两件事情：
- 构造了一个FinalDemo对象；
- 把这个对象赋值给成员变量finalDemo。
由于a,b之间没有数据依赖性，普通域（普通变量）a可能会被重排序到构造函数之外，线程B就有可能读到的是普通变量a初始化之前的值（零值），这样就可能出现错误。而final域变量b，根据重排序规则，会禁止final修饰的变量b重排序到构造函数之外，从而b能够正确赋值，线程B就能够读到final变量初始化后的值。
因此，写final域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的final域已经被正确初始化过了，而普通域就不具有这个保障。比如在上例，线程B有可能就是一个未正确初始化的对象finalDemo。
volatile关键字
synchronized是阻塞式同步，在线程竞争激烈的情况下会升级为重量级锁。而volatile就可以说是java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。但它同时不容易被正确理解，也至于在并发编程中很多程序员遇到线程安全的问题就会使用synchronized。Java内存模型告诉我们，各个线程会将共享变量从主内存中拷贝到工作内存，然后执行引擎会基于工作内存中的数据进行操作处理。线程在工作内存进行操作后何时会写到主内存中？这个时机对普通变量是没有规定的，而针对volatile修饰的变量给java虚拟机特殊的约定，线程对volatile变量的修改会立刻被其他线程所感知，即不会出现数据脏读的现象，从而保证数据的“可见性”。
现在我们有了一个大概的印象就是：被volatile修饰的变量能够保证每个线程能够获取该变量的最新值，从而避免出现数据脏读的现象。
在生成汇编代码时会在volatile修饰的共享变量进行写操作的时候会多出Lock前缀的指令
主要有这两个方面的影响：
- 将当前处理器缓存行的数据写回系统内存；
- 这个写回内存的操作会使得其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效
为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。因此，经过分析我们可以得出如下结论：
- Lock前缀的指令会引起处理器缓存写回内存；
- 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存失效；
- 当处理器发现本地缓存失效后，就会从内存中重读该变量数据，即可以获取当前最新值。
这样针对volatile变量通过这样的机制就使得每个线程都能获得该变量的最新值。
volatile变量可以通过缓存一致性协议保证每个线程都能获得最新值，即满足数据的“可见性”。
并发分析的切入点分为两个核心，三大性质。两大核心：JMM内存模型（主内存和工作内存）以及happens-before；三条性质：原子性，可见性，有序性
System类包含几个有用的类字段和方法。 它不能被实例化。
System类提供的System包括标准输入，标准输出和错误输出流; 访问外部定义的属性和环境变量; 一种加载文件和库的方法; 以及用于快速复制阵列的一部分的实用方法。
| Modifier and Type | Method and Description |
|---|---|
static void | arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length) 将指定源数组中的数组从指定位置复制到目标数组的指定位置。 |
static String | clearProperty(String key) 删除指定键指定的系统属性。 |
static Console | console() 返回与当前Java虚拟机关联的唯一的 |
static long | currentTimeMillis() 返回当前时间（以毫秒为单位）。 |
static void | exit(int status) 终止当前运行的Java虚拟机。 |
static void | gc() 运行垃圾回收器。 |
static Map<String,String> | getenv() 返回当前系统环境的不可修改的字符串映射视图。 |
static String | getenv(String name) 获取指定环境变量的值。 |
static Properties | getProperties() 确定当前的系统属性。 |
static String | getProperty(String key) 获取指定键指示的系统属性。 |
static String | getProperty(String key, String def) 获取指定键指示的系统属性。 |
static SecurityManager | getSecurityManager() 获取系统安全界面。 |
static int | identityHashCode(Object x) 返回与默认方法hashCode（）返回的给定对象相同的哈希码，无论给定对象的类是否覆盖了hashCode（）。 |
static Channel | inheritedChannel() 返回从创建此Java虚拟机的实体继承的通道。 |
static String | lineSeparator() 返回与系统相关的行分隔符字符串。 |
static void | load(String filename) 加载由filename参数指定的本机库。 |
static void | loadLibrary(String libname) 加载 |
static String | mapLibraryName(String libname) 将库名称映射到表示本地库的平台特定字符串。 |
static long | nanoTime() 以纳秒为单位返回正在运行的Java虚拟机的高分辨率时间源的当前值。 |
static void | runFinalization() 运行任何对象等待定稿的最终化方法。 |
static void | runFinalizersOnExit(boolean value)已弃用 这种方法本质上是不安全的。 它可能导致在活动对象上调用finalizer，而其他线程同时操作这些对象，导致不稳定的行为或死锁。 |
static void | setErr(PrintStream err) 重新分配“标准”错误输出流。 |
static void | setIn(InputStream in) 重新分配“标准”输入流。 |
static void | setOut(PrintStream out) 重新分配“标准”输出流。 |
static void | setProperties(Properties props) 将系统属性设置为 |
static String | setProperty(String key, String value) 设置由指定键指示的系统属性。 |
static void | setSecurityManager(SecurityManager s) 设置系统安全性。 |
java源码
package java.lang;
import java.io.*;
import java.lang.reflect.Executable;
import java.lang.annotation.Annotation;
import java.security.AccessControlContext;
import java.util.Properties;
import java.util.PropertyPermission;
import java.util.StringTokenizer;
import java.util.Map;
import java.security.AccessController;
import java.security.PrivilegedAction;
import java.security.AllPermission;
import java.nio.channels.Channel;
import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;
import sun.nio.ch.Interruptible;
import sun.reflect.CallerSensitive;
import sun.reflect.Reflection;
import sun.security.util.SecurityConstants;
import sun.reflect.annotation.AnnotationType;
public final class System {
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
private System() {
}
public final static InputStream in = null;
public final static PrintStream out = null;
public final static PrintStream err = null;
private static volatile SecurityManager security = null;
public static void setIn(InputStream in) {
checkIO();
setIn0(in);
}
public static void setOut(PrintStream out) {
checkIO();
setOut0(out);
}
public static void setErr(PrintStream err) {
checkIO();
setErr0(err);
}
private static volatile Console cons = null;
public static Console console() {
if (cons == null) {
synchronized (System.class) {
cons = sun.misc.SharedSecrets.getJavaIOAccess().console();
}
}
return cons;
}
public static Channel inheritedChannel() throws IOException {
return SelectorProvider.provider().inheritedChannel();
}
private static void checkIO() {
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new RuntimePermission("setIO"));
}
}
private static native void setIn0(InputStream in);
private static native void setOut0(PrintStream out);
private static native void setErr0(PrintStream err);
public static
void setSecurityManager(final SecurityManager s) {
try {
s.checkPackageAccess("java.lang");
} catch (Exception e) {
// no-op
}
setSecurityManager0(s);
}
private static synchronized
void setSecurityManager0(final SecurityManager s) {
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
// ask the currently installed security manager if we
// can replace it.
sm.checkPermission(new RuntimePermission
("setSecurityManager"));
}
if ((s != null) && (s.getClass().getClassLoader() != null)) {
// New security manager class is not on bootstrap classpath.
// Cause policy to get initialized before we install the new
// security manager, in order to prevent infinite loops when
// trying to initialize the policy (which usually involves
// accessing some security and/or system properties, which in turn
// calls the installed security manager's checkPermission method
// which will loop infinitely if there is a non-system class
// (in this case: the new security manager class) on the stack).
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Object>() {
public Object run() {
s.getClass().getProtectionDomain().implies
(SecurityConstants.ALL_PERMISSION);
return null;
}
});
}
security = s;
}
public static SecurityManager getSecurityManager() {
return security;
}
public static native long currentTimeMillis();
public static native long nanoTime();
public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
Object dest, int destPos,
int length);
public static native int identityHashCode(Object x);
private static Properties props;
private static native Properties initProperties(Properties props);
public static Properties getProperties() {
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPropertiesAccess();
}
return props;
}
public static String lineSeparator() {
return lineSeparator;
}
private static String lineSeparator;
public static void setProperties(Properties props) {
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPropertiesAccess();
}
if (props == null) {
props = new Properties();
initProperties(props);
}
System.props = props;
}
public static String getProperty(String key) {
checkKey(key);
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPropertyAccess(key);
}
return props.getProperty(key);
}
public static String getProperty(String key, String def) {
checkKey(key);
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPropertyAccess(key);
}
return props.getProperty(key, def);
}
public static String setProperty(String key, String value) {
checkKey(key);
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new PropertyPermission(key,
SecurityConstants.PROPERTY_WRITE_ACTION));
}
return (String) props.setProperty(key, value);
}
public static String clearProperty(String key) {
checkKey(key);
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new PropertyPermission(key, "write"));
}
return (String) props.remove(key);
}
private static void checkKey(String key) {
if (key == null) {
throw new NullPointerException("key can't be null");
}
if (key.equals("")) {
throw new IllegalArgumentException("key can't be empty");
}
}
public static String getenv(String name) {
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new RuntimePermission("getenv."+name));
}
return ProcessEnvironment.getenv(name);
}
public static java.util.Map<String,String> getenv() {
SecurityManager sm = getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new RuntimePermission("getenv.*"));
}
return ProcessEnvironment.getenv();
}
public static void exit(int status) {
Runtime.getRuntime().exit(status);
}
public static void gc() {
Runtime.getRuntime().gc();
}
public static void runFinalization() {
Runtime.getRuntime().runFinalization();
}
@Deprecated
public static void runFinalizersOnExit(boolean value) {
Runtime.runFinalizersOnExit(value);
}
@CallerSensitive
public static void load(String filename) {
Runtime.getRuntime().load0(Reflection.getCallerClass(), filename);
}
@CallerSensitive
public static void loadLibrary(String libname) {
Runtime.getRuntime().loadLibrary0(Reflection.getCallerClass(), libname);
}
public static native String mapLibraryName(String libname);
private static PrintStream newPrintStream(FileOutputStream fos, String enc) {
if (enc != null) {
try {
return new PrintStream(new BufferedOutputStream(fos, 128), true, enc);
} catch (UnsupportedEncodingException uee) {}
}
return new PrintStream(new BufferedOutputStream(fos, 128), true);
}
private static void initializeSystemClass() {
props = new Properties();
initProperties(props); // initialized by the VM
sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties(props);
lineSeparator = props.getProperty("line.separator");
sun.misc.Version.init();
FileInputStream fdIn = new FileInputStream(FileDescriptor.in);
FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
FileOutputStream fdErr = new FileOutputStream(FileDescriptor.err);
setIn0(new BufferedInputStream(fdIn));
setOut0(newPrintStream(fdOut, props.getProperty("sun.stdout.encoding")));
setErr0(newPrintStream(fdErr, props.getProperty("sun.stderr.encoding")));
// Load the zip library now in order to keep java.util.zip.ZipFile
// from trying to use itself to load this library later.
loadLibrary("zip");
// Setup Java signal handlers for HUP, TERM, and INT (where available).
Terminator.setup();
// Initialize any miscellenous operating system settings that need to be
// set for the class libraries. Currently this is no-op everywhere except
// for Windows where the process-wide error mode is set before the java.io
// classes are used.
sun.misc.VM.initializeOSEnvironment();
// The main thread is not added to its thread group in the same
// way as other threads; we must do it ourselves here.
Thread current = Thread.currentThread();
current.getThreadGroup().add(current);
// register shared secrets
setJavaLangAccess();
// Subsystems that are invoked during initialization can invoke
// sun.misc.VM.isBooted() in order to avoid doing things that should
// wait until the application class loader has been set up.
// IMPORTANT: Ensure that this remains the last initialization action!
sun.misc.VM.booted();
}
private static void setJavaLangAccess() {
// Allow privileged classes outside of java.lang
sun.misc.SharedSecrets.setJavaLangAccess(new sun.misc.JavaLangAccess(){
public sun.reflect.ConstantPool getConstantPool(Class<?> klass) {
return klass.getConstantPool();
}
public boolean casAnnotationType(Class<?> klass, AnnotationType oldType, AnnotationType newType) {
return klass.casAnnotationType(oldType, newType);
}
public AnnotationType getAnnotationType(Class<?> klass) {
return klass.getAnnotationType();
}
public Map<Class<? extends Annotation>, Annotation> getDeclaredAnnotationMap(Class<?> klass) {
return klass.getDeclaredAnnotationMap();
}
public byte[] getRawClassAnnotations(Class<?> klass) {
return klass.getRawAnnotations();
}
public byte[] getRawClassTypeAnnotations(Class<?> klass) {
return klass.getRawTypeAnnotations();
}
public byte[] getRawExecutableTypeAnnotations(Executable executable) {
return Class.getExecutableTypeAnnotationBytes(executable);
}
public <E extends Enum<E>>
E[] getEnumConstantsShared(Class<E> klass) {
return klass.getEnumConstantsShared();
}
public void blockedOn(Thread t, Interruptible b) {
t.blockedOn(b);
}
public void registerShutdownHook(int slot, boolean registerShutdownInProgress, Runnable hook) {
Shutdown.add(slot, registerShutdownInProgress, hook);
}
public int getStackTraceDepth(Throwable t) {
return t.getStackTraceDepth();
}
public StackTraceElement getStackTraceElement(Throwable t, int i) {
return t.getStackTraceElement(i);
}
public String newStringUnsafe(char[] chars) {
return new String(chars, true);
}
public Thread newThreadWithAcc(Runnable target, AccessControlContext acc) {
return new Thread(target, acc);
}
public void invokeFinalize(Object o) throws Throwable {
o.finalize();
}
});
}
}
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