區區final和static，竟然隱藏著這麼多知識點！
這是我端午節去西湖玩的時候照的照片。那天的天氣很善變，早上出門的時候是陰雲密佈，中午突然就變成了藍天白雲，豔陽高照，到了下午又變成傾盆大雨。
有人說，人的心情、行為等都可能受到環境影響。我不否認這個理論，但我們可以降低環境對我們的影響。天氣也好，家庭出身也好，曾經的經歷也好，學習、工作環境也好。這些都算是一些客觀的環境因素，影響情緒的大概率不是環境本身，而是我們的態度。晴天也好，雨天也罷，你若嘗試喜歡，那便是好天氣。
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是否有預設值？
前段時間群裡有個小夥伴丟擲來一個問題：Java中final宣告的變數，在初始化前，會有預設零值嗎？
我看到這個問題時，下意識地想：我不知道，我猜應該無，但寫個程式碼驗證不就可以了嗎？Show me the code!
我們先來看這樣一段程式碼，嘗試在初始化前列印一下，看能不能看到這個final變數的預設值。
class A {
private final static int a;
static {
// 這裡編譯會報錯
// System.out.println(a);
a = 2;
System.out.println(a);
}
}
這裡第一次列印a變數，在編譯的時候就會報錯，因為沒有初始化a變數。換言之，編譯器儘量保證在使用一個final變數之前，這個變數已經進行了初始化。
這符合Java對final的設計，final變數一旦賦值，就不再允許修改。所以如果我們這麼寫也是不行的：
class A {
private final static int a = 0;
static {
System.out.println(a);
// 這裡編譯會報錯
a = 2;
System.out.println(a);
}
}
到這裡我們可能會有一個猜測：final變數沒有零值。
我們又回過頭來看看Java的類載入機制。Jvm會在準備階段為類的靜態變數分配記憶體，並將其初始化為預設值。然後在初始化階段，對類的靜態變數，靜態程式碼塊執行初始化操作。
那麼問題來了，既被final修飾又被static修飾的變數，也會在準備階段初始化為預設值，然後在初始化再賦值嗎？
先說結論：答案是不一定，有些情況會，有些情況不會。
內聯優化
我們先看直接宣告就初始化這種情況：
class A {
private final static int a = 7;
public static int getA() {
return a;
}
}
編譯再反編譯一下：
```
我的檔名是Demo.java
javac Demo.java javap -p -v -c A ```
可以看到這個getA()的反編譯結果，編譯器已經知道了a=7，並且由於它是一個final變數，不會變，所以直接寫死編譯進去了。相當於直接把return a替換成了return 7。
public static int getA();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: bipush 7
2: ireturn
LineNumberTable:
line 21: 0
這其實是一個編譯器的優化，專業的稱呼叫“內聯優化”。其實不只是final變數會被內聯優化。一個方法也有可能被內聯優化，特別是熱點方法。JIT大部分的優化都是在內聯的基礎上進行的，方法內聯是即時編譯器中非常重要的一環。
一般來說，內聯的方法越多，生成程式碼的執行效率越高。但是對於即時編譯器來說，內聯的方法越多，編譯時間也就越長，程式達到峰值效能的時刻也就比較晚。有一些引數可以控制方法是否被內聯：
回到最開始的問題，這種能被編譯器內聯優化的final變數，是會在編譯成位元組碼的時候，就賦值了，所以在類載入的準備階段，不會給這個變數初始化為預設值。
騙過編譯器
那如果編譯器在編譯期的時候，不知道final變數的值是多少呢？比如給它一個隨機數：
class A {
private final static int a;
private static final Random random = new Random();
static {
// 這裡編譯會報錯
// System.out.println(a);
a = random.nextInt();
System.out.println(a);
}
}
變數a會不會有一個“預設值”呢？如何去驗證這件事呢？驗證的思路就是在a賦值之前就打印出來，但編譯器不允許我們在賦值前就使用a。那怎麼辦呢？好辦，想辦法騙過編譯器就行了，畢竟它也不是那麼智慧嘛。怎麼騙？直接上程式碼。
class A {
final static int a;
static final Random random = new Random();
static {
B.printA();
a = random.nextInt();
B.printA();
}
}
class B {
static void printA() {
System.out.println(A.a);
}
}
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
// 列印兩次，一次為0，一次為一個隨機數
A a = new A();
}
}
這段程式碼很簡單，從列印結果我們能看出來，這樣就能驗證final修飾的變數a，在被初始化前，是被賦值了預設值0的。
反射能修改嗎
研究到這，我又有一個問題了：反射能修改final變數的值嗎？根據上面的理論，我推測：
- 如果是被內聯優化的變數，那反射改的已經不是原來那個變量了，而是一個“副本”，所有用到這個變數的地方都被直接編譯成了常量，所以看起來改不了，或者說改了也用不了。
- 如果沒有被內聯優化，那理論上來說應該可以修改。
雖然理論上是這樣，但務實的我還是想用程式碼驗證一把，於是我去網上抄了一段程式碼：
這裡注意要用反射final修飾符去掉，可以說是很hack了
``` package com.tianma.sample;
import java.lang.reflect.Field; import java.lang.reflect.Modifier;
public class ChangeStaticFinalFieldSample {
static void changeStaticFinal(Field field, Object newValue) throws Exception { field.setAccessible(true); // 如果field為private,則需要使用該方法使其可被訪問
Field modifersField = Field.class.getDeclaredField("modifiers"); modifersField.setAccessible(true); // 把指定的field中的final修飾符去掉 modifersField.setInt(field, field.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);
field.set(null, newValue); // 為指定field設定新值 }
public static void main(String[] args) throws Exception { Sample.print(); Field canChangeField = Sample.class.getDeclaredField("CAN_CHANGE"); Field cannotChangeField = Sample.class.getDeclaredField("CANNOT_CHANGE"); changeStaticFinal(canChangeField, 2); changeStaticFinal(cannotChangeField, 3); Sample.print(); } }
class Sample { private static final int CAN_CHANGE = new Integer(1); // 未內聯優化 private static final int CANNOT_CHANGE = 1; // 內聯優化
public static void print() { System.out.println("CAN_CHANGE = " + CAN_CHANGE); System.out.println("CANNOT_CHANGE = " + CANNOT_CHANGE); System.out.println("------------------------"); } } ```
列印結果：
``` CAN_CHANGE = 1 CANNOT_CHANGE = 1
CAN_CHANGE = 2 CANNOT_CHANGE = 1
```
跟猜想是一致的，非常完美~
類載入與單例bug
瞭解到這，我就突然想起了很早很早之前遇到的一個關於單例模式的問題，也跟類載入有點關係，有點意思。
下面這段話出自於《碼出高效 - Java開發手冊》，是阿里的孤盡大佬寫的。
這個是一個典型的餓漢單例模式。從我學設計模式的時候，學到的就是餓漢模式非常安全，除了不能懶載入，沒啥大的缺點。但書上卻說”某些特殊場景“下，返回的單例物件可能為空，這就勾起了我的好奇心了。
我當時絞盡腦汁，寫了一些程式碼去驗證這種為空的場景，還真讓我給找到了一種。既然餓漢是利用的類載入，那我們知道類載入會在準備階段先初始化為預設值，然後在初始化階段再賦值是吧。那關鍵就在於我們什麼情況下會在這個變數初始化前呼叫getInstance()方法？
迴圈依賴的時候會，咱們來看看下面這段程式碼
class A {
public A() {
try {
B b = B.getInstance();
System.out.println(b);
Thread.sleep(1000);
System.out.println("AAA");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class B {
private static A a = new A();
private static B instance = new B();
public B() {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("BBB");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static B getInstance() {
return instance;
}
}
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
}
}
這段程式碼有點繞。是一個典型的迴圈依賴，A依賴B，B又依賴了A。列印結果和過程如下：
```
B在初始化的時候呼叫A的構造器
null AAA
B初始化
BBB
Demo呼叫A初始化
[email protected] AAA ```
經過大佬同事的點撥，我們有一個更簡單的程式碼來表述這種場景：
class Config {
public static Config config = Config.getInstance();
private static Config instance = new Config();
public static Config getInstance() {
return instance;
}
}
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Config.config); // null
System.out.println(Config.getInstance()); // 有值
}
}
這段程式碼很好解釋，我們在對Config類進行初始化的時候，先執行第一行程式碼，由於第二行程式碼還沒執行，所以這個時候Config.getInstance()返回的是null，寫進了這個靜態變數裡。所以無論你後面怎麼呼叫Config.config這個變數，它都會是null。
所以底層原理其實都是一樣的：使用這個單例的時候，它還沒被初始化。我不知道孤盡大佬表達的“某些特殊場景”是不是這個意思，但確實上述場景下，它是可能為空的。
總結
寫了這麼多，這裡總結一下整篇文章涉及到的知識點。
- final變數是有可能被編譯期內聯優化的；方法也可能會被JIT內聯優化
- final變數如果沒被內聯優化，還是會有預設值，可以用“騙過編譯器”的方式拿到；
- 反射可以修改final變數，但如果被內聯優化了，那就沒啥作用了；
- 餓漢式單例模式，也可能利用類載入的機制拿到null物件
這些知識看起來是很“底層”的東西，有些同學看了後可能會覺得了解這些沒啥用。但其實瞭解一些底層知識可以給我們程式碼起一些指導作用，遇到問題也能有一個好的思路去分析，最關鍵的是，在群裡摸魚的時候，又多了一個談資，不是嗎？
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