灵魂拷问：你真的理解System.out.println()执行原理吗？

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。

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('\n') >= 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：

in:标准输入(键盘)的描述符
out:标准输出(屏幕)的描述符
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：

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。

巴特西

灵魂拷问：你真的理解System.out.println()执行原理吗？

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