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  • 灵魂拷问：你真的理解System.out.println()打印原理吗？

    原创/朱季谦

     灵魂拷问，这位独秀同学，你会这道题吗？

     请说说，“System.out.println()”原理......


    这应该是刚开始学习Java时用到最多一段代码，迄今为止，与它算是老朋友了。既然是老朋友，就应该多去深入了解下其“内心”深处的“真正想法”。

    在深入了解之前，先给自己提几个问题：

    System是什么？out是什么？println又是什么？三个代码组成为何能实现打印信息的功能？

    接下来，我们就带着问题，去熟悉我们这位相处已久的老伙计。

     

    先从System开始一步一步探究。

    在百度百科上，有对System做了这样的说明：System类代表系统，其中系统级的很多属性和控制方法都放置在该类的内部。

    简而意之，该类与系统有关，可获取系统内部的众多属性以及方法，其部分源码如下：

     1 public final class System {
 2     private static native void registerNatives();
 3     static {
 4         registerNatives();
 5     }
 6     private System() {
 7     }
 8     public final static InputStream in = null;
 9     public final static PrintStream out = null;
10     public final static PrintStream err = null;
11     private static volatile SecurityManager security = null;
12     public static void setIn(InputStream in) {
13         checkIO();
14         setIn0(in);
15     }
16     public static void setOut(PrintStream out) {
17         checkIO();
18         setOut0(out);
19     }
20     ......
21  }

     打开源码，发现这是一个final定义的类，其次，该类的构造器是以private权限进行定义的。根据这两情况可以说明，该类即不能被继承也无法实例化成对象，同时需注意一点，就是这个类里定义的很多变量和方法都是static来定义的，即这些类成员都是属于类而非对象。

    因此，若需调用类中的这些带static定义的属性或者方法，无需创建对象就能直接通过“类名.成员名”来调用。

    在System源码中，需要留意的是in,out,or三者，它们分别代表标准输入流，标准输出流，标准错误输出流。

    image

    到这一步，便可以逐渐看到System.out.println中的影子，没错，这行代码里的System.out，即为引用System类里静态成员out，它是PrintStream类型的引用变量，称为"字节输出流"。作为static定义的out引用变量，它在类加载时就被初始化了，初始化后，会创建PrintStream对象对out赋值，之后便能调用PrintStream类中定义的方法。

    具体怎么创建PrintStream并赋值给静态成员out，我放在本文后面讲解。

    接着，进入到PrintStream类当中——

     1 public class PrintStream extends FilterOutputStream
 2     implements Appendable, Closeable
 3 {
 4 ......
 5  public void println() {
 6         newLine();
 7     }
 8 
 9     public void println(boolean x) {
10         synchronized (this) {
11             print(x);
12             newLine();
13         }
14     }
15 
16     public void println(char x) {
17         synchronized (this) {
18             print(x);
19             newLine();
20         }
21     }
22 
23     public void println(int x) {
24         synchronized (this) {
25             print(x);
26             newLine();
27         }
28     }
29 
30     public void println(long x) {
31         synchronized (this) {
32             print(x);
33             newLine();
34         }
35     }
36 
37     public void println(float x) {
38         synchronized (this) {
39             print(x);
40             newLine();
41         }
42     }
43 
44     public void println(double x) {
45         synchronized (this) {
46             print(x);
47             newLine();
48         }
49     }
50 
51     public void println(char x[]) {
52         synchronized (this) {
53             print(x);
54             newLine();
55         }
56     }
57 
58     public void println(String x) {
59         synchronized (this) {
60             print(x);
61             newLine();
62         }
63     }
64 
65   ......
66 }

    发现这PrintStream里边存在诸多以println名字命名的重载方法。

    这个，就是我们本文中最后需要回答的问题，即println是什么？

    它其实是PrintStream打印输出流类里的方法。

    每个有传参的println方法里，其最后调用的方法都是print()与newLine()。

    值得注意一点，这些带有传参的println方法当中，里面都是通过同步synchronized来修饰，这说明System.out.println其实是线程安全的。同时还有一点需注意，在多线程情况下，当大量方法执行同一个println打印时，其synchronized同步性能效率都可能出现严重性能问题。因此，在实际生产上，普遍是用log.info()类似方式来打印日志而不会用到System.out.println。

    在以上代码里，其中 newLine()是代表打印换行的意思。

    众所周知，以System.out.println()来打印信息时，每条打印信息都会换行的，之所以会出现换行，其原理就是println()内部通过newLine()方法实现的。

    若换成System.out.print()来打印，则不会出现换行情况。

    为什么print()不会出现换行呢？

    分析一下print()里代码便可得知，是因为其方法里并没有调用newLine()方法来实现换行的——

     1 public void print(boolean b) {
 2     write(b ? "true" : "false");
 3 }
 4 
 5 public void print(char c) {
 6     write(String.valueOf(c));
 7 }
 8 
 9 public void print(int i) {
10     write(String.valueOf(i));
11 }
12 
13 public void print(long l) {
14     write(String.valueOf(l));
15 }
16 
17 public void print(float f) {
18     write(String.valueOf(f));
19 }
20 
21 public void print(double d) {
22     write(String.valueOf(d));
23 }
24 
25 public void print(char s[]) {
26     write(s);
27 }
28 
29 
30 public void print(String s) {
31     if (s == null) {
32         s = "null";
33     }
34     write(s);
35 }

    这些重载方法里面都调用相同的write()方法，值得注意的是，在调用write()时，部分方法的实现是都把参数转换成了String字符串类型，之后进入到write()方法详情里——

     1 private void write(String s) {
 2     try {
 3         synchronized (this) {
 4             ensureOpen();
 5             textOut.write(s);
 6             textOut.flushBuffer();
 7             charOut.flushBuffer();
 8             if (autoFlush && (s.indexOf('
') >= 0))
 9                 out.flush();
10         }
11     }
12     catch (InterruptedIOException x) {
13         Thread.currentThread().interrupt();
14     }
15     catch (IOException x) {
16         trouble = true;
17     }
18 }

    其中，ensureOpen()的方法是判断out流是否已经开启，其详细方法如下：

    1 private void ensureOpen() throws IOException {
2     if (out == null)
3         throw new IOException("Stream closed");
4 }

     由方法可得知，在进行写入打印信息时，需判断PrintStream流是否已经开启，若没有开启，则无法将打印信息写入计算机，故而抛出说明流是关闭状态的异常提示：“Stream closed”

    若流是开启的，即可执行 textOut.write(s);

    根据个人理解，这里的textOut是BufferedWriter引用变量，即为常说的IO流里写入流，最终会将信息写入到控制台上，即我们平常说的控制台打印。可以理解成，控制台就是一个文件，但是能被我们实时看到里面是什么的文件，这样当每次写入东西时，就会实时呈现在文件里，也就是能被我们看到的控制台打印信息。

    那么，问题来了，哪行代码是表示写入到控制台文件的呢？System、out、println又是如何组成到一起来起作用的？

    让我们回到System类最开始的地方——

     1 public final class System {
 2 
 3     /* register the natives via the static initializer.
 4      *
 5      * VM will invoke the initializeSystemClass method to complete
 6      * the initialization for this class separated from clinit.
 7      * Note that to use properties set by the VM, see the constraints
 8      * described in the initializeSystemClass method.
 9      */
10     private static native void registerNatives();
11     static {
12         registerNatives();
13     }
14 
15 }

     以上的静态代码会在类的初始化阶段被初始化，其会调用一个native方法registerNatives()。根据该方法的英文注释“VM will invoke the initializeSystemClass method to complete”，可知，VM将调用initializeSystemClass方法来完成该类初始化。

    我们找到该initializeSystemClass方法，下面只列出本文需要用到的核心代码，稍微做了一下注释：

     1 private static void initializeSystemClass() {
 2      //被vm执行系统属性初始化
 3     props = new Properties();
 4     initProperties(props); 
 5     sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties(props);
 6 
 7     //从系统属性中获取系统相关的换行符，赋值给变量lineSeparator
 8     lineSeparator = props.getProperty("line.separator");
 9     sun.misc.Version.init();
10     //分别创建in、out、err的实例对象，并通过set()方法初始化
11     FileInputStream fdIn = new FileInputStream(FileDescriptor.in);
12     FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
13     FileOutputStream fdErr = new FileOutputStream(FileDescriptor.err);
14     setIn0(new BufferedInputStream(fdIn));
15     setOut0(newPrintStream(fdOut, props.getProperty("sun.stdout.encoding")));
16     setErr0(newPrintStream(fdErr, props.getProperty("sun.stderr.encoding")));
17 
18     ......
19 }

    主要关注这两行代码：

    1  FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
2  setOut0(newPrintStream(fdOut, props.getProperty("sun.stdout.encoding")));

    一.这里逐行进行分析，首先FileDescriptor是一个“文件描述符”，可以通俗地把它当成一个文件，它有以下三个属性：

    1. in:标准输入(键盘)的描述符

    2. out:标准输出(屏幕)的描述符

    3. err:标准错误输出(屏幕)的描述符

    FileDescriptor.out代表为“标准输出(屏幕)”，可以通俗地理解成标准输出到控制台的文件，即表示控制台。

    new FileOutputStream(FileDescriptor.out)该行代码即说明通过文件输出流将信息输出到屏幕即控制台上。

    若还是不理解，可举一个比较常见的例子——

    1 public static void main(String[] args) throws IOException {
2         FileOutputStream out=new FileOutputStream("C:\file.txt");
3         out.write(66);
4 }

    这是比较简单的通过FileOutputStream输出流写入文件的写法，这里的路径“C:file.txt”就与FileDescriptor.out做法类似，都是描述一个可写入数据的文件，只不过FileDescriptor.out比较特殊，它描述的是屏幕，即常说的控制台。

    二.接下来是newPrintStream(fdOut, props.getProperty("sun.stdout.encoding"))——

    1 private static PrintStream newPrintStream(FileOutputStream fos, String enc) {
2    if (enc != null) {
3         try {
4             return new PrintStream(new BufferedOutputStream(fos, 128), true, enc);
5         } catch (UnsupportedEncodingException uee) {}
6     }
7     return new PrintStream(new BufferedOutputStream(fos, 128), true);
8 }

     该方法是为输出流创建一个BufferedOutputStream缓冲输出流，起到流缓冲的作用，最后通过new PrintStream(）创建一个打印输出流。

    通过该流的打印接口，如print(), println()，可实现打印输出的作用。

    三.最后就是执行 setOut0(newPrintStream(fdOut, props.getProperty("sun.stdout.encoding")));

    1 private static native void setOut0(PrintStream out);

    可知，该方法是一个native方法，感兴趣的童鞋可继续深入研究，这里大概就是将生成的PrintStream对象赋值给System里的静态对象引用变量：out。

    1 public final static PrintStream out = null;

    到这里，就回到了我们最开始的地方：System.out.println，没错，这里面的out，就是通过setOut0来进行PrintStream对象赋值的，我们既然能拿到了PrintStream的对象引用out，自然就可以访问PrintStream类里的任何public方法里，包括println()，包括print()，等等。

    可提取以上初始化out的源码重做一个手动打印的测试，如：

    image

    执行，发现可以控制台上打印出"测试打印"四字。

    最后，总结一下，System.out.println的原理是在类加载System时，会初始化System的initializeSystemClass()方法，该方法中将创建一个打印输出流PrintStream对象，随后通过setOut0(PrintStream out)方法，会将初始化创建的PrintStream 对象赋值给System静态引用变量out。out被赋值对象地址后，就可以调用PrintStream中的各种public修饰的方法里，其中就包括println()、print()这类打印信息的方法，通过out.println(“xxxx”)即可将“xxxx”打印到控制台上，也就是等价于System.out.println("xxxx")。

    1 System.out.println("打印数据")；
2 等价于--->
3 PrintStream out=System.out;
4 out.println("打印数据");

    以上，就是System.out.println的执行原理。

    若有不足，还请指出改正。
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