一文彻底搞懂 Java static 关键字:静态变量、静态方法、静态代码块、静态内部类

沉默王二2021年10月22日
大约 10 分钟

“哥,你牙龈肿痛轻点没?周一的《教妹学 Java》(Java 程序员进阶之路的前身)你都没有更新,偷懒了呀!”三妹关心地问我。

“今天周四了,吃了三天的药,疼痛已经减轻不少,咱妈还给我打了电话,让我买点牛黄解毒片下下火。”我面带着微笑对三妹说,“学习可不能落下,今天我们来学 Java 中 static 关键字吧。”

“static 是 Java 中比较难以理解的一个关键字,也是各大公司的面试官最喜欢问到的一个知识点之一。”我喝了一口咖啡继续说道。

“既然是面试重点,那我可得好好学习下。”三妹连忙说。

“static 关键字的作用可以用一句话来描述:‘方便在没有创建对象的情况下进行调用,包括变量和方法’。也就是说,只要类被加载了,就可以通过类名进行访问。”我扶了扶沉重眼镜,继续说到,“static 可以用来修饰类的成员变量,以及成员方法。我们一个个来看。”

01、静态变量

“如果在声明变量的时候使用了 static 关键字,那么这个变量就被称为静态变量。静态变量只在类加载的时候获取一次内存空间,这使得静态变量很节省内存空间。”家里的暖气有点足,我跑去开了一点窗户后继续说道。

“来考虑这样一个 Student 类。”话音刚落,我就在键盘上噼里啪啦一阵敲。

public class Student {
    String name;
    int age;
    String school = "郑州大学";
}

这段代码敲完后,我对三妹说:“假设郑州大学录取了一万名新生,那么在创建一万个 Student 对象的时候,所有的字段(name、age 和 school)都会获取到一块内存。学生的姓名和年纪不尽相同,但都属于郑州大学,如果每创建一个对象,school 这个字段都要占用一块内存的话,就很浪费,对吧?三妹。”

“因此,最好将 school 这个字段设置为 static,这样就只会占用一块内存,而不是一万块。”

安静的房子里又响起了一阵噼里啪啦的键盘声。

public class Student {
    String name;
    int age;
    static String school = "郑州大学";

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student("沉默王二", 18);
        Student s2 = new Student("沉默王三", 16);
    }
}

“瞧,三妹。s1 和 s2 这两个引用变量存放在栈区(stack),沉默王二+18 这个对象和沉默王三+16 这个对象存放在堆区(heap),school 这个静态变量存放在静态区。”

“等等,哥,栈、堆、静态区?”三妹的脸上塞满了疑惑。

“哦哦,别担心,三妹,画幅图你就全明白了。”说完我就打开 draw.io 这个网址,认真地画起了图。

“现在,是不是一下子就明白了?”看着这幅漂亮的手绘图,我心里有点小开心。

“哇,哥,惊艳了呀!”三妹也不忘拍马屁,给我了一个大大的赞。

“好了,三妹,我们来看下面这串代码。”

public class Counter {
    int count = 0;

    Counter() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String args[]) {
        Counter c1 = new Counter();
        Counter c2 = new Counter();
        Counter c3 = new Counter();
    }
}

“我们创建一个成员变量 count,并且在构造函数中让它自增。因为成员变量会在创建对象的时候获取内存,因此每一个对象都会有一个 count 的副本, count 的值并不会随着对象的增多而递增。”

我在侃侃而谈,而三妹似乎有些不太明白。

“没关系,三妹,你先盲猜一下,这段代码输出的结果是什么?”

“按照你的逻辑,应该输出三个 1?是这样吗?”三妹眨眨眼,有点不太自信地回答。

“哎呀,不错哟。”

我在 IDEA 中点了一下运行按钮,程序跑了起来。

1
1
1

“每创建一个 Counter 对象,count 的值就从 0 自增到 1。三妹,想一下,如果 count 是静态的呢?”

“我不知道啊。”

“嗯,来看下面这段代码。”

public class StaticCounter {
    static int count = 0;

    StaticCounter() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String args[]) {
        StaticCounter c1 = new StaticCounter();
        StaticCounter c2 = new StaticCounter();
        StaticCounter c3 = new StaticCounter();
    }
}

“来看一下输出结果。”

1
2
3

“简单解释一下哈,由于静态变量只会获取一次内存空间,所以任何对象对它的修改都会得到保留,所以每创建一个对象,count 的值就会加 1,所以最终的结果是 3,明白了吧?三妹。这就是静态变量和成员变量之间的差别。”

“另外,需要注意的是,由于静态变量属于一个类,所以不要通过对象引用来访问,而应该直接通过类名来访问,否则编译器会发出警告。”

02、静态方法

“说完静态变量,我们来说静态方法。”说完,我准备点一支华子来抽,三妹阻止了我,她指一指烟盒上的「吸烟有害身体健康」,我笑了。

“好吧。”我只好喝了一口咖啡继续说,“如果方法上加了 static 关键字,那么它就是一个静态方法。”

“静态方法有以下这些特征。”

  • 静态方法属于这个类而不是这个类的对象;
  • 调用静态方法的时候不需要创建这个类的对象;
  • 静态方法可以访问静态变量。

“来,继续上代码”

public class StaticMethodStudent {
    String name;
    int age;
    static String school = "郑州大学";

    public StaticMethodStudent(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    static void change() {
        school = "河南大学";
    }
    
    void out() {
        System.out.println(name + " " + age + " " + school);
    }

    public static void main(String[] args) {
        StaticMethodStudent.change();
        
        StaticMethodStudent s1 = new StaticMethodStudent("沉默王二", 18);
        StaticMethodStudent s2 = new StaticMethodStudent("沉默王三", 16);
        
        s1.out();
        s2.out();
    }
}

“仔细听,三妹。change() 方法就是一个静态方法,所以它可以直接访问静态变量 school,把它的值更改为河南大学;并且,可以通过类名直接调用 change() 方法,就像 StaticMethodStudent.change() 这样。”

“来看一下程序的输出结果吧。”

沉默王二 18 河南大学
沉默王三 16 河南大学

“需要注意的是,静态方法不能访问非静态变量和调用非静态方法。你看,三妹,我稍微改动一下代码,编译器就会报错。”

“先是在静态方法中访问非静态变量,编译器不允许。”

“然后在静态方法中访问非静态方法,编译器同样不允许。”

“关于静态方法的使用,这下清楚了吧,三妹?”

看着三妹点点头,我欣慰地笑了。

“哥,我想到了一个问题,为什么 main 方法是静态的啊?”没想到,三妹串联知识点的功力还是不错的。

“如果 main 方法不是静态的,就意味着 Java 虚拟机在执行的时候需要先创建一个对象才能调用 main 方法,而 main 方法作为程序的入口,创建一个额外的对象显得非常多余。”我不假思索的回答令三妹感到非常的钦佩。

“java.lang.Math 类的几乎所有方法都是静态的,可以直接通过类名来调用,不需要创建类的对象。”

03、静态代码块

“三妹,站起来活动一下,我的脖子都有点僵硬了。”

我们一起走到窗户边,映入眼帘的是从天而降的雪花。三妹和我都高兴坏了,迫不及待地打开窗口,伸出手去触摸雪花的温度,那种稍纵即逝的冰凉,真的舒服极了。

“北国风光,千里冰封,万里雪飘。望长城内外,惟余莽莽;大河上下,顿失滔滔。山舞银蛇,原驰蜡象,欲与天公试比高。须晴日,看红装素裹,分外妖娆。。。。。。”三妹竟然情不自禁地朗诵起了《沁园春·雪》。

确实令人欣喜,这是 2020 年洛阳的第一场雪,的确令人感到开心。

片刻之后。

“除了静态变量和静态方法,static 关键字还有一个重要的作用。”我心情愉悦地对三妹说,“用一个 static 关键字,外加一个大括号括起来的代码被称为静态代码块。”

“就像下面这串代码。”

public class StaticBlock {
    static {
        System.out.println("静态代码块");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main 方法");
    }
}

“静态代码块通常用来初始化一些静态变量,它会优先于 main() 方法执行。”

“来看一下程序的输出结果吧。”

静态代码块
main 方法

“二哥,既然静态代码块先于 main() 方法执行,那没有 main() 方法的 Java 类能执行成功吗?”三妹的脑回路越来越令我敬佩了。

“Java 1.6 是可以的,但 Java 7 开始就无法执行了。”我胸有成竹地回答到。

public class StaticBlockNoMain {
    static {
        System.out.println("静态代码块,没有 main");
    }
}

“在命令行中执行 java StaticBlockNoMain 的时候,会抛出 NoClassDefFoundError 的错误。”

“三妹,来看下面这个例子。”

public class StaticBlockDemo {
    public static List<String> writes = new ArrayList<>();

    static {
        writes.add("沉默王二");
        writes.add("沉默王三");
        writes.add("沉默王四");

        System.out.println("第一块");
    }

    static {
        writes.add("沉默王五");
        writes.add("沉默王六");

        System.out.println("第二块");
    }
}

“writes 是一个静态的 ArrayList,所以不太可能在声明的时候完成初始化,因此需要在静态代码块中完成初始化。”

“静态代码块在初始集合的时候,真的非常有用。在实际的项目开发中,通常使用静态代码块来加载配置文件到内存当中。”

04、静态内部类

“三妹啊,除了以上只写,static 还有一个不太常用的功能——静态内部类。”

“Java 允许我们在一个类中声明一个内部类,它提供了一种令人信服的方式,允许我们只在一个地方使用一些变量,使代码更具有条理性和可读性。”

“常见的内部类有四种,成员内部类、局部内部类、匿名内部类和静态内部类,限于篇幅原因,前三种不在我们本次的讨论范围之内,以后有机会再细说。”

“来看下面这个例子。”三妹有点走神,我敲了敲她的脑袋后继续说。

public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        public static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

“三妹,打起精神,马上就结束了。”

“哦哦,这段代码看起来很别致啊,哥。”

“是的,三妹,这段代码在以后创建单例的时候还会见到。”

“第一次加载 Singleton 类时并不会初始化 instance,只有第一次调用 getInstance() 方法时 Java 虚拟机才开始加载 SingletonHolder 并初始化 instance,这样不仅能确保线程安全,也能保证 Singleton 类的唯一性。不过,创建单例更优雅的一种方式是使用枚举,以后再讲给你听。”

“需要注意的是。第一,静态内部类不能访问外部类的所有成员变量;第二,静态内部类可以访问外部类的所有静态变量,包括私有静态变量。第三,外部类不能声明为 static。”

“三妹,你看,在 Singleton 类上加 static 后,编译器就提示错误了。”

三妹点了点头,所有所思。


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