Java进阶--static完全解析

前言

现在深深的感觉到写一篇好的博客十分不容易，static关键字的考点在各种笔试面试中会经常遇到，在写这篇博客之前我也是大量的阅读了相关的文献，争取从全局上对static做一个分析，这里的全局包括JVM（Java虚拟机），JMM（Java内存模型）等。

Java内存管理机制

在讲static关键字之前必须先了解Java的内存管理机制，下面先分析一下Java的内存管理机制。如果有兴趣可以看看JMM（Java内存模型）进行详细了解。下面是Java内存管理图：

先对上面几个区域进行简要说明：

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。 在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame[1]）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。 在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、 使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。 甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。 与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

堆

Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。 此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被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。 虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

注意：上面的内存区域中，跟static关键字直接相关的是方法区，对于static关键字的讲解也是围绕着方法区的功能和作用展开的。

static关键字

先引用一句英文：
The static keyword in java is used for memory management mainly. We can apply java static keyword with variables, methods, blocks and nested class. The static keyword belongs to the class than instance of the class.
上面这段话大致的意思是：static关键字主要用于内存管理，可以使用static修饰变量，方法，块，和内部类。使用static关键字后的变量，方法，块，和内部类属于类不属于实例，也就是说存放在方法区，而不是存放在堆中。

对static关键字的讲解主要分为四个方面展开：

①variable (静态变量或者类变量)

②method (静态方法或者类方法)

③block（静态块）

④nested class（静态内部类）

静态变量（static variable）

①静态变量可以用于同一个类不同对象的共同属性。

②静态变量只在方法区中保存一份，所以可以提高内存利用更加节约内存。

实例1

class Student{  
   int rollno;  
   String name;  
   static String college ="ITS";  

   Student8(int r,String n){  
   rollno = r;  
   name = n;  
   }  
 void display (){System.out.println(rollno+" "+name+" "+college);}  

 public static void main(String args[]){  
 Student8 s1 = new Student8(111,"Karan");  
 Student8 s2 = new Student8(222,"Aryan");  

 s1.display();  
 s2.display();  
 }  
} 
//输出结果
    111 Karan ITS
    222 Aryan ITS

上面例子中将学生的学校 college 用静态变量来处理，因为同一个学校所有学生的学校相同，因此只用在方法区的类变量中保存一份结果，如果不用static修饰college 那么如果有500个学生实例，那么堆中就会生成500个college变量。

实例2

未使用static的程序计数器

class Counter{  
int count=0;//will get memory when instance is created  

Counter(){  
count++;  
System.out.println(count);  
}  

public static void main(String args[]){  

Counter c1=new Counter();  
Counter c2=new Counter();  
Counter c3=new Counter();  

 }  
} 
//输出结果
       1
       1
       1

使用static修饰的程序计数器

class Counter2{  
static int count=0;//will get memory only once and retain its value  

Counter2(){  
count++;  
System.out.println(count);  
}  

public static void main(String args[]){  

Counter2 c1=new Counter2();  
Counter2 c2=new Counter2();  
Counter2 c3=new Counter2();  

 }  
}  
//输出
       1
       2
       3

静态方法（static method）

①静态方法属于类，不属于任何一个对象。

②可以通过类直接调用静态方法，不需要创建实例。

③静态方法可以获取静态数据，并且修改它们的值。

实例

class Calculate{  
  static int cube(int x){  
  return x*x*x;  
  }  

  public static void main(String args[]){  
  int result=Calculate.cube(5);  
  System.out.println(result);  
  }  
} 
//输出
125 

注意：在jdk中大量的工具类的方法被声明为静态方法，这样不仅方便调用，而且可以节约大量堆空间。

①静态方法中不能调用非静态变量，和非静态方法。

②this 和 super 不能在静态方法中使用，因为静态方法属于类，跟对象无关。

class A{  
 int a=40;//non static  

 public static void main(String args[]){  
  System.out.println(a);  
 }  
} 
//输出
Output:Compile Time Error   

静态代码块（static block）

①静态代码块一般用于初始化静态成员。

 private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;
        static final int high;
        static final Integer cache[];

        static {
            // high value may be configured by property
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                i = Math.max(i, 127);
                // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low));
            }
            high = h;

            cache = new Integer[(high - low) + 1];
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)
                cache[k] = new Integer(j++);
        }

        private IntegerCache() {}
    }

上面的这段代码是在jdk中 Integer类中内部类IntegerCache 中的一段静态代码块用于生成一个大小为256的integer数组。jdk中随处可见这种静态代码块的初始化方式。

②静态代码块在类加载的最后一步初始化阶段执行，因此比main方法先执行。

public class StaticDemo {


        public static void main(String[] args) {  

             System.out.println("world");           
        } 
        static{
            System.out.print("hello ");
        }
    } 

//输出
hello world

静态代码块比main方法先执行的原因要从类的加载机制说起，类的加载过程分为：加载–验证–准备–解析–初始化四个过程，其中静态代码块的执行在初始化这一阶段，也就是说在类的加载最后一阶段，此时还未调用main方法，静态方法的调用是在类加载完成后开始的。要更加详细的了解可以参考深入理解jvm–Java中init和clinit区别完全解析这篇文章。

参考文献

https://www.javatpoint.com/static-keyword-in-java
Java编程思想（thinking in Java）
深入理解Java虚拟机第二版
https://crunchify.com/java-static-methods-variables-static-block-and-class-with-example/