我们初学java的第一个程序是"hello world"

 public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("hello world");
}
}

上面程序到底是怎么在屏幕上输出“hello world”的呢?这就是本来要讲解的内容,即System.out.println("hello world")的原理。

我们先看看System.out.println的流程。先看看System.java中out的定义,源码如下:

 public final class System {
... public final static PrintStream out = null; ...
}

从中,我们发现,
(01) out是System.java的静态变量。
(02) 而且out是PrintStream对象,PrintStream.java中有许多重载的println()方法。

OK,我们知道了out是PrintStream对象。接下来,看它是如何被初始化的,它是怎么和屏幕输出关联的?
我们还是一步步来分析,首先看看System.java的initializeSystemClass()方法。
1. initializeSystemClass()的源码如下: 把out部分标记为红色

 private static void initializeSystemClass() {

     props = new Properties();
initProperties(props); // initialized by the VM sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties(props); lineSeparator = props.getProperty("line.separator");
sun.misc.Version.init(); FileInputStream fdIn = new FileInputStream(FileDescriptor.in);
FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
FileOutputStream fdErr = new FileOutputStream(FileDescriptor.err);
setIn0(new BufferedInputStream(fdIn));
setOut0(new PrintStream(new BufferedOutputStream(fdOut, 128), true));
setErr0(new PrintStream(new BufferedOutputStream(fdErr, 128), true)); loadLibrary("zip"); Terminator.setup(); sun.misc.VM.initializeOSEnvironment(); Thread current = Thread.currentThread();
current.getThreadGroup().add(current); setJavaLangAccess(); sun.misc.VM.booted();
}

我们只需要关注上面的红色代码部分:即
FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
setOut0(new PrintStream(new BufferedOutputStream(fdOut, 128), true));
将这两句话细分,可以划分为以下几步:
第1步 FileDescriptor fd = FileDescriptor.out;
第2步 FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(fd);
第3步 BufferedOutputStream bufOut = new BufferedOutputStream(fdOut, 128);
第4步 PrintStream ps = new PrintStream(bufout, true);
第5步 setOut0(ps);
说明:
(01) 第1步,获取FileDescriptor.java中的静态成员out,out是一个FileDescriptor对象,它实际上是“标准输出(屏幕)”的标识符。关于FileDescriptor的详细介绍,可以参考博文“java io系列09之 FileDescriptor总结”。
FileDescriptor.java中与FileDescriptor.out相关代码如下:

 public final class FileDescriptor {

     private int fd;

     public static final FileDescriptor out = new FileDescriptor(1);

     private FileDescriptor(int fd) {
this.fd = fd;
useCount = new AtomicInteger();
} ...
}

(02) 创建“标准输出(屏幕)”对应的“文件输出流”。
(03) 创建“文件输出流”对应的“缓冲输出流”。目的是为“文件输出流”添加“缓冲”功能。
(04) 创建“缓冲输出流”对应的“打印输出流”。目的是为“缓冲输出流”提供方便的打印接口,如print(), println(), printf();使其能方便快捷的进行打印输出。
(05) 执行setOut0(ps);

接下来,解析第5步的setOut0(ps)。查看System.java中setOut0()的声明,如下:

private static native void setOut0(PrintStream out);

从中,我们发现setOut0()是一个native本地方法。通过openjdk,我们可以找到它对应的源码,如下:

 JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_lang_System_setOut0(JNIEnv *env, jclass cla, jobject stream)
{
jfieldID fid =
(*env)->GetStaticFieldID(env,cla,"out","Ljava/io/PrintStream;");
if (fid == 0)
return;
(*env)->SetStaticObjectField(env,cla,fid,stream);
}

说明
这是个JNI函数,我们来对它进行简单的分析。
(01) 函数名
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_lang_System_setOut0(JNIEnv *env, jclass cla, jobject stream)
这是JNI的静态注册方法,Java_java_lang_System_setOut0(JNIEnv *env, jclass cla, jobject stream)会和System.java中的setOut0(PrintStream out)关联;而且,参数stream 对应参数out。简单来说,我们调用setOut0(),实际上是调用的Java_java_lang_System_setOut0()。
关于JNI的更多内容,可以参考博文“Android JNI和NDK学习(02)--静态方式实现JNI”。

(02) jfieldID fid = (*env)->GetStaticFieldID(env,cla,"out","Ljava/io/PrintStream;");
这句话的作用是获取System.java的静态成员out的jfieldID,"Ljava/io/PrintStream;"是说明out是java.io.PrintStream对象。
获取out的jfieldID的作用,是我们需要通过操作“out的jfielID”来改变out的值。

(03) (*env)->SetStaticObjectField(env,cla,fid,stream);
这句话的作用是,设置fid(fid就是out的jfieldID)对应的静态成员的值为stream。
stream是我们传给Java_java_lang_System_setOut0()的参数,也就是传给setOut0的参数。

总结上面的内容。我们知道,setOut0(PrintStream ps)的作用,就是将ps设置为System.java的out静态变量。

前面,已经说过FileDescriptor.out就是机器的“标准输出(屏幕)”的文件标识符。我们可以通俗的将文件标识符就理解为,FileDescriptor.out就是代表的“标准输出”。
因此,在initializeSystemClass()中,上面的5步就是将“FileDescriptor.out”封装了起来。封装后的System.in既有缓冲功能;又有便利的操作接口,如print(), println(), printf()。

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