Java中final和static修饰的变量是在什么时候赋值的?

程序IT圈

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2021-01-18 11:41

开始

一位朋友在群里问了这样一个问题:

本着乐于助人的想法,我当时给出的回答:


后来我总觉得哪里不对劲。

于是我仔细翻阅了《Java虚拟机规范》和《深入理解Java虚拟机》关于这一部分的内容。

害!发现自己理解的有问题。

因为自己的理解出错而误导了别人,实在是让我万分羞愧!

于是我加了这位朋友的好友,向这位朋友表达了歉意。

这位朋友也非常随和,对此表示理解。

今天讨论的问题就是从这个故事开始的。


final修饰的实例变量



我们先分析一下这个问题:

深入Java虚拟机有一句是ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值,只有被static关键字修饰的变量才可以使用这项属性。但为什么private final a = 10也可以被赋值

我翻阅了《深入理解Java虚拟机》第二版,在第191页,确实有前面那句话


书中说的很清楚,ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值。

那就意味着只有static修饰的类变量才会在class文件中对应的字段表加上ConstantValue属性吗?

答案是否定的。

用final修饰的实例变量,编译成class文件的时候,对应的字段表也有可能会加上ConstantValue属性。

注意,我这里用了“可能”这两个字,因为这是有条件的。

哪些情况会有ConstantValue属性呢?

我们写一段代码,列举一下用final修饰的实例变量的几种情况。

然后用javap -verbose命令反编译查看字节码:

我们可以看到,在字段表集合里面有四个字段表:

分表对应着a,b,c,d,e五个实例属性。

他们都带有ACC_PUBLIC(public)ACC_FINAL(final)的访问标志。

但只有a和b对应的字段表带有ConstantValue属性。

不难得出:

用final修饰不是在构造方法赋值的String类型或者基本类型成员变量,编译成字节码文件时,对应的字段表也会带有ConstantValue属性。

这个结论不和《深入理解Java虚拟机》冲突吗?

于是我翻阅了官网的JVM规范,在4.7.2部分我找到了这样一句话:

书中说的很清楚:

如果field_info(字段表)表示的非静态字段包含了ConstantValue属性,那么这个ConstantValue属性会被JVM虚拟机所忽略。

也就是说,对于非静态字段,就算你编译器加上了ConstantValue属性,JVM也会忽略掉,你加不加结果是一样的。


看完JVM规范里面的说明,再回来看《深入理解Java虚拟机》里面的这句话:

ConstantValue属性的作用是通知虚拟机自动为静态变量赋值,只有被static关键字修饰的类变量才可以使用这项属性。

作者的这句话的前半句没有什么争议,但我觉得后半句的表述的不太明确,容易造成误解。

以我的理解,应该是“只有被static关键字修饰的类变量才可以使用ConstantValue这项属性来进行初始化,否则使用这项属性也会被JVM忽略掉

好了,我们再回到那位朋友问的问题:

为什么private final a = 10也可以被赋值?

首先,这个问题的本身就问的不太准确。

我理解这位朋友真正想问的是“为什么private final a = 10也可以通过ConstantValue属性的形式赋值?”

我觉得这是一个很好的问题。

这位朋友通过实验发现用final修饰的实例变量对应的字段表有ConstantValue属性。

结合《深入理解Java虚拟机》,他认为a是通过ConstantValue属性让虚拟机知道然后为其赋值的。

最后他发现和书中冲突,于是提出了上文的这个问题。

这位朋友的思路有问题吗?我觉得是没有问题的。

不过这样的理解是对的吗?显然是不对的。

因为虚拟机规范是这样规范的。对于非静态字段,ConstantValue属性是不会生效的。

至于为什么要这样设计,功力不够的我暂时无法理解设计者的想法。


那单独用final修饰的实例变量到底是在什么时候赋值的呢?

这个问题也不难回答,看一下字节码就清楚了。

图片可点击放大

通过查看字节码,我们可以看到生成了一个方法,右边是它的字节码指令。

什么是方法?我们看看JVM规范上的解释:

我们温习一下这个英语四级短语:appear as

然后,我们一起翻译一下:

在JVM层面上,每一个用Java写的构造方法都表现为实例初始方法,这个方法就是方法。记住,这个方法会在实例初始化的时候被调用。

我们再来看一下putfield这个字节码指令的含义:

为指定的类的实例域赋值的,也就是为实例变量赋值的指令。

知道了方法是什么和putfield的含义后,结合上面的字节码,不难得出:

这些用final修饰实例变量是在实例构造器方法里面赋值的,也就是对象创建的时候赋值。


static修饰的类变量



上面讲到ConstantValue属性的作用是通知虚拟机为静态变量赋值。

什么是静态变量?static修饰的变量

那static修饰的变量是什么时候加载的呢?

在这之前,我需要给你把类加载的几个过程大致讲一下:

类的生命周期由7个阶段组成,类加载说的是前5个阶段:

即加载—>验证—>准备—>解析—>初始化。

的生命周期图

我们简单过一下这几个阶段:

  • 加载:将字节码所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。

  • 验证:验证字节码格式,确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求,并且不会危害虚拟机自身的安全。

  • 准备:创建类或者接口的静态字段,并为静态变量设置初始值。

  • 解析:将常量池内的符号引用替换为直接引用。

  • 初始化:执行类构造器方法。


上面出现类构造器方法,这个方法又是个什么东西呢?

JVM 规范这样写道:

说白了,编译器会收集所有静态变量的赋值动作、所有静态代码块,合并产生一个方法,即方法。

方法在上面那张类加载图中的的初始化阶段执行。

现在你应该对类加载过程有一个大致的了解了。

回到static修饰的变量(类变量),类变量有两种赋值方式可以选择:

  • 使用ConstantValue属性赋值。


  • 在类构造器方法中赋值。


目前Oracle公司实现的Javac编译器的选择是:

  • final+static修饰:使用ConstantValue属性赋值。


  • 仅使用static修饰:在方法中赋值。这个方法在类加载的初始化阶段执行

需要注意点的是,用生成ConstantValue属性来进行初始化,这个变量必须是基本类型或者java.lang.String类型。

对于这一点,我们也可以通过javap -verbose命令反编译验证一下:

为什么呢?

这是因为Class文件格式的常量类型中只有与基本属性和字符串相对应的字面量,所以就算ConstantValue属性想支持别的类型也无能为力。


final+static修饰的常量



上面我们说过,方法是在类加载的初始化阶段赋值的。

那static+final修饰的常量是在类加载的那一阶段进行的呢?

我们可以看一下JVM规范:

我们可以看到在JVM规范里面,static+final修饰的常量是在初始化阶段执行方法之前执行的。


咦?网上的博客不都是在类加载的准备阶段会对普通类属性赋初始值,对带有ConstantValue的类属性直接赋值吗?

《深入理解Java虚拟机》也是这样说的啊?

书上是错的吗?不是的,因为《深入理解Java虚拟机》里面讲的具体实现,是基于HotSpot VM讲的。

确确实实,HotSpot VM就是这么干的,我们也可以在openJdk中找到对应的源码:

跟踪源码可以发现HotSpot VM对基本类型或者字符串类型的常量的赋值确实在准备阶段完成了。

但一个很关键的点是,虽然没在初始化阶段赋值,仍然在调用方法之前赋值了。

外界是不会观察到HotSpot VM提前做了这个初始化赋值的,所以是没问题的。

不过要记住的是:

JVM规范里明确说了正确的初始化时机是在“初始化(Initialization)”阶段。


总结



  1. 单独用final修饰的变量也有可能在字节码找到对应的ConstantValue属性,但是会被JVM忽略掉。

  2. final修饰的实例属性,在实例创建的时候才会赋值。

  3. static修饰的类属性,在类加载的准备阶段赋初值,初始化阶段赋值。

  4. static+final修饰的String类型或者基本类型常量,JVM规范建议在初始化阶段赋值,但是HotSpot VM直接在准备阶段就赋值了。

  5. static+final修饰的其他引用类型常量,赋值步骤和第二点的流程是一样的。

还有一点,一定不要把《深入理解Java虚拟机》和《Java虚拟机规范》搞混了。

  • 《Java虚拟机规范》是官方JVM规范文档翻译而来的,所有的JVM实现都要遵从规范,但有强制要求的规范和建议的规范。

  • 《深入理解Java虚拟机》是作者根据自己的理解,结合HotSpot VM的具体实现,为了让读者更容易理解JVM而写的一本书。

写在最后



本人才疏学浅,OpenJdk源码也理解的不够透彻。

为了说清楚文中的一些知识,我翻阅了很多资料。

但是还是有一部分的知识点无法找到权威的资料证明。

不过我尽量都基于官方文档展开分析,如果有认识有差错的地方,欢迎指出!我定会在第一时间修改,不误导别人!

最后,感谢你的阅读!

如果可以,点赞再看关注,谢谢你!


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