Java中final和static修饰的变量是在什么时候赋值的？

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)和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<init>方法，右边是它的字节码指令。

什么是<init>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<init>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<init>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。

类的生命周期图

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<clinit>方法。

上面出现类构造器<clinit>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<clinit>方法。

<cliit>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<clinit>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<clinit>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，<clinit>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<clinit>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

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。
final修饰的实例属性，在实例创建的时候才会赋值。
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。
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。
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、再看加关注，谢谢你！

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