有关java类对象初始化的话题，从一道面试题切入

Posted 2021-01-10 christmad

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了有关java类对象初始化的话题，从一道面试题切入相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

最近在整理东西时，刚好碰到以前看的一道有关java类、对象初始化相关题目，觉得答案并不是非常好（记忆点比较差，不是很连贯）。加上刚好复习完类加载全过程的五个阶段（加载-验证-准备-解析-初始化），所以如果周志明大大诚不我欺的话，无论是类加载过程、还是实例化过程的顺序我都已经了然于心了才对。

一道面试题

标题：2015携程JAVA工程师笔试题(基础却又没多少人做对的面向对象面试题)

地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/25746159

该题代码如下：

public class Base {


    private String baseName = "base";

    public Base() {
        callName();
    }

    public void callName() {
        System.out.println(baseName);
    }

    static class Sub extends Base {
        private String baseName = "sub";

        public void callName() {
            System.out.println(baseName);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Base b = new Sub();
    }

}

问题：main函数运行后输出什么？

关于类初始化、实例化的问题该如何分析

输出base？sub？还是null？

这个题从第一次搜集，到复习，两遍......在不看答案的情况下愣是没想起来......好在COPY AND PASTE工程师有一样法宝就是“能run 的先 run一遍再说”。憋着不看答案，run完之后，结果是null。不是很震惊，因为如果是base或sub的话，这道题的层次就不会很高。

嗯，那为什么是null呢？看一下原链接给的提示（文末总结）是什么：

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看完之后，一口老血吐了出来，错别字先不提，主要是记忆点比较模糊，像这种“父类静态块 ->子类静态块 ->父类初始化语句”，还有这种“父类构造函器 ->子类初始化语句子类构造器”，怎么记？死记硬背吗？但是顺序是没有错的，每个位置的表达上还是有些问题。

看得出来答主是按照本题的代码进行分析，最后我也会给出一个执行顺序和原文总结中顺序一致的代码出来，其实就是把静态语句块（static{}），实例初始化块（{}），Sub类的无参构造器补齐之后（同时调整一下类的位置）观察它们的输出顺序的结果。

整理概念

工欲善其事必先利其器，这里有必要把一些概念理清楚。

（1）类初始化阶段，和实例初始化

因为类加载有“初始化”阶段，而实例初始化也常被工程师们叫做“初始化”，因此，为了区分这两个“初始化”，类加载过程的初始化我叫它“类初始化阶段”，实例初始化过程我叫它“实例初始化”（不用简称，免得混乱）。

先看下类加载的初始化阶段到底是什么：

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上图是《深入java虚拟机》周志明大大的第二版书，第7章第2节内容的第一张图。这7个阶段中和程序员比较有关系的是loading、preparation和initialization。后面会讲到。

类的初始化阶段是其生命周期中第5个阶段。让我们看看这个阶段干了些什么：初始化阶段是执行类构造器<cinit>()方法的过程。而<cinit>()方法是由编译器自动收集的类中所有类变量的赋值动作（static变量，且必须有赋值动作的语句）和静态语句块（static{}）后合并产生的。更直白的说法就是<cinit>()方法是由static赋值动作加上static{}块合并而成的，它只针对静态变量（前面标蓝字体的原因）。收集的顺序就是你的static语句和static{}块的书写顺序。

（2）静态语句块（static{}），和实例初始化块（{}）

原题代码中没有书写static{} 也没有 {} 。后面我的补充代码会展示出来。

（3）类加载，和类初始化

所谓的类加载应该指的是类生命周期中的前五个阶段，从loading到initialization。在《深入java虚拟机》书中7.2节提到的五个必须进行“初始化”的情况中就包括“先初始化父类”这一条。通常在泛指的时候，可以把“类加载”和“类初始化”对等起来，它们表示类声明周期的前五个阶段，这样在口头表述的时候比较便利。

分析题目

将类初始化阶段和实例初始化这两个概念区分开后，再分析这个题目。

main函数中的代码非常简单：Base b = new Sub(); 。但是注意，这行代码是在Base.java文件的main方法中，而运行main函数，JVM首先要加载这个main函数所在的类，即运行这行代码时JVM会先加载Base到方法区中，可能会对加载顺序的判断有一丢丢影响（所以后面我重写了代码，Base和Sub放在Xase中，让Xase类运行main方法）。

好，绕了一点弯路，重新回到题目上，前面提到最近刚好复习了类加载过程的五个阶段（生命周期中到“使用”之前的那五个阶段），不知道书上有没有提到实例初始化过程？这个阶段涉及到如本题中main函数所示的代码如何初始化（b的静态类型是Base，实际类型是Sub），不过其实也就是子类覆盖父类方法如何执行的问题，剩下的那些实例变量和实例初始化块执行顺序都是很容易理解的。

经过自己debug（原文中也提到）也能发现Sub类覆盖Base的callName后实际运行时该方法的指针是指向Sub的callName方法的（debug时将看到执行Base构造函数中的callName时会跳转到Sub的callName方法上）。所以到这里可以“假装”我们也掌握了实例初始化相关的知识点。

有了以上两个知识点，开始分析代码，在main函数中执行代码Base b = new Sub(); JVM会按顺序将 Base、Sub类的class文件加载到方法区（完成生命周期的前五个阶段）。由于原文中main方法在Base中，所以Base已经加载过，所以执行这段代码时，只是加载Sub的class文件（后面加载类简称加载）。JVM如果要加载Sub类，要先保证它的父类Base被加载。因此无论是代码顺序保证的，还是类加载机制保证的，Base类都会先于Sub类被加载到方法区。

（1）加载类阶段

好了，目前为止Base和Sub都加载完了，由类加载机制保证父类先加载，所以父类的类初始化先于子类的类初始化完成。

即，实例初始化前，有 父类的类初始化 -> 子类的类初始化。

前面说过，<cinit>()方法的执行是按有赋值动作static语句和 static语句块的书写顺序执行的，经过类的类初始化阶段后，每个类的类变量都已经初始化完成。

本题中没有类变量，但学习时我们可以自己加上，后面我会再贴出另一道类初始化和实例化相关的题，该题中你可以认识到 static语句的赋值操作语句和非赋值操作语句是如何被<cinit>()收集的（你可以在每个static语句上都打上断点，了解为什么书里介绍<cinit>()时说的是“只搜集类变量的赋值操作”）。

（2）实例化阶段

接下来执行 new Sub();

由于Sub没有定义构造函数，JVM生成一个默认构造函数（无参构造函数）。子类的任意构造函数中都有一个隐式的super()来调用父类的默认构造函数，保证继承的实例字段正确初始化。如果父类自己写了带参的构造函数，子类构造函数要明确指定调用一个父类的构造函数。

这里，两个类都是无参构造函数，所以Sub的默认构造函数可以调用到Base的无参构造函数。

到这里可以明确的关系有：父类的类初始化 -> 子类的类初始化 -> ...... -> 父类构造函数 -> ...... -> 子类构造函数。

你会看到每次推导出来的顺序阶段都加上蓝色字体，便于比较。

类变量的初始化过程上面介绍过，叫做 <cinit>()方法，通过 debug static语句可以看到debug栈的提示。<cinit>()方法是按static书写顺序执行的。那么实例初始化过程呢？其实实例初始化也对应一个<init>()方法，它应该（还没看到对应的资料）也是类似的执行过程，作用是帮我们初始化类的实例变量（搜集实例变量赋值操作和实例初始化块）。

因为 <cinit>()方法只是我们广义上说的类初始化的第5个阶段 initialization，因此在这里并不想用<cinit>()去替换"类初始化“。

那么 <init>()方法和构造函数执行顺序如何？把构造函数放在 {}块和实例变量赋值操作的前面，通过 debug 可以确定的关系：init()方法 -> 构造函数。

那么 <inti>()方法中实例初始化块{} 以及实例变量赋值操作的调用顺序是怎样的？还是通过 debug，可以知道顺序为：和 <cinit>()方法类似，是按书写的顺序，并且只搜集有赋值操作的语句。如 private int a = 2; 会搜集。 private int b; 则不搜集。

接下来请允许我用 <init>()方法 来表示 “实例初始化块{} 以及实例变量赋值操作 ”。它看起来比 <cinit>()更能表达一个阶段。

因此，目前可以确定的调用顺序为（加上标号）：①父类的类初始化 -> ②子类的类初始化 -> ③父类的<init>()方法 -> ④父类构造函数 -> ⑤子类的<init>()方法 -> ⑥子类构造函数。

前面分析到执行Sub构造函数之前，会先调用Base的构造函数，在Base构造函数中调用前， Base的<init>()方法已经执行完，所以baseName = "base" 。

查阅《深入java虚拟机》7.3.3节，在准备阶段（对应上述①），生命周期的第3个阶段会为类变量赋“零值”，但是 baseName的定义不是类变量，只是普通的实例变量，可以套用这个规则吗？

既然<cinit>()方法是修改类变量的零值，<init>()方法应该相应的会修改实例变量的零值。实例变量在堆上分配时应该也有零值（道理应该是这样，JVM设计不会搞这么复杂，两种变量还搞两套零值，通过debug也能看到两种变量零值是一样的）。baseName为 String类型对应 reference类型，所以它的零值为null（其他例如 int零值为 0，long零值为 0L），执行完<init>()方法后（对应上述③），baseName = "base"。

继续分析，Base的构造函数（对应上述④）又调用了 callName方法，由于Sub类重写了Base类的 callName，所以 debug时可以看到跳转到Sub的 callName中，此时，程序只运行到上述④的阶段，Sub类的 <init>()方法和 Sub类的构造函数（对应上述⑤ 和 ⑥）都没有运行到。根据上一段的分析可知，此时 Sub的实例变量 baseName只有零值 null，因此 callName() 执行后将输出 null（也是本题的结果）。

接着，Base构造函数调用结束，进入上述 ⑤ 和 ⑥ 的执行过程。执行完 ⑤ 后 Sub的 baseName = "sub"。⑥ 过程没有执行任何东西，整个过程就结束了。

总结

通过这道面试题的学习，你应该了解到，new ClassName(); 其实分两个大的阶段，第一个是先加载类（五个阶段）到方法区，对应上述①和②两个阶段；第二个才是使用加载好的class对象创建实例（实例初始化过程），对应上述③~⑥ 四个阶段。

最后调整过后的代码如下：

/**
 * https://zhuanlan.zhihu.com/p/25746159
 * 2015携程JAVA工程师笔试题(基础却又没多少人做对的面向对象面试题)
 */
public class Xase {

    {
        System.out.println("I‘m Xase {}");
    }

    static {
        System.out.println("I‘m Xase static {}");
    }

    static class Base {

        public Base() {
            System.out.println("Base constructor");
            callName();
        }

        {
            // base的实例初始化块
            System.out.println("BASE {}");
        }
        private String baseName = "base";

        static {
            // base的静态语句块
            System.out.println("Base static {}");
        }

        public void callName() {
            System.out.println(baseName);
        }
    }

    static class Sub extends Base {
        private String baseName = "sub";

        public Sub() {
            System.out.println("Sub constructor");
        }

        {
            System.out.println("Sub {}");
            b = 3;
        }
        private int a = 2;
        private int b;

        static {
            // sub的静态语句块
            System.out.println("Sub static {}");
        }

        public void callName() {
            System.out.println(baseName);
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        Base b = new Sub();
    }

}

Xase包裹了Base和Sub，作为一道面试题“拥挤”一点也不是什么毛病。其中main方法在上述代码中放在Xase类中，如果你不想显示Xase的静态代码块的打印，可以把main方法挪到Sub方法里。

debug时，在每一个 {} ，static{} ，构造函数，实例变量和类变量上都打上断点，就可以清楚观察到对象实例化时各个代码调用的顺序。

附我的Xase代码输出：

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