java io系列17之 System.out.println("hello world")原理

我們初學java的第一個程序是"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輸出“hello world”的呢？這就是本來要講解的內容，即System.out.println("hello world")的原理。

我們先看看System.out.println的流程。先看看System.java中out的定義，源碼如下：

public final class System {
    ...

    public final static PrintStream out = null;

    ...
}

從中，我們發現，
(01) out是System.java的靜態變量。
(02) 而且out是PrintStream對象，PrintStream.java中有許多重載的println()方法。

OK，我們知道了out是PrintStream對象。接下來，看它是如何被初始化的，它是怎么和屏幕輸出關聯的？
我們還是一步步來分析，首先看看System.java的initializeSystemClass()方法。
1. initializeSystemClass()的源碼如下： 把out部分標記為紅色

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();
}

我們只需要關注上面的紅色代碼部分：即
FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
setOut0(new PrintStream(new BufferedOutputStream(fdOut, 128), true));
將這兩句話細分，可以划分為以下幾步：
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);
說明：
(01) 第1步，獲取FileDescriptor.java中的靜態成員out，out是一個FileDescriptor對象，它實際上是“標准輸出(屏幕)”的標識符。關於FileDescriptor的詳細介紹，可以參考博文“java io系列09之 FileDescriptor總結”。
FileDescriptor.java中與FileDescriptor.out相關代碼如下：

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) 創建“標准輸出(屏幕)”對應的“文件輸出流”。
(03) 創建“文件輸出流”對應的“緩沖輸出流”。目的是為“文件輸出流”添加“緩沖”功能。
(04) 創建“緩沖輸出流”對應的“打印輸出流”。目的是為“緩沖輸出流”提供方便的打印接口，如print(), println(), printf()；使其能方便快捷的進行打印輸出。
(05) 執行setOut0(ps);

接下來，解析第5步的setOut0(ps)。查看System.java中setOut0()的聲明，如下：

private static native void setOut0(PrintStream out);

從中，我們發現setOut0()是一個native本地方法。通過openjdk，我們可以找到它對應的源碼，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);
}

說明：
這是個JNI函數，我們來對它進行簡單的分析。
(01) 函數名
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_lang_System_setOut0(JNIEnv *env, jclass cla, jobject stream)
這是JNI的靜態注冊方法，Java_java_lang_System_setOut0(JNIEnv *env, jclass cla, jobject stream)會和System.java中的setOut0(PrintStream out)關聯；而且，參數stream 對應參數out。簡單來說，我們調用setOut0()，實際上是調用的Java_java_lang_System_setOut0()。
關於JNI的更多內容，可以參考博文“Android JNI和NDK學習(02)--靜態方式實現JNI”。

(02) jfieldID fid = (*env)->GetStaticFieldID(env,cla,"out","Ljava/io/PrintStream;");
這句話的作用是獲取System.java的靜態成員out的jfieldID，"Ljava/io/PrintStream;"是說明out是java.io.PrintStream對象。
獲取out的jfieldID的作用，是我們需要通過操作“out的jfielID”來改變out的值。

(03) (*env)->SetStaticObjectField(env,cla,fid,stream);
這句話的作用是，設置fid(fid就是out的jfieldID)對應的靜態成員的值為stream。
stream是我們傳給Java_java_lang_System_setOut0()的參數，也就是傳給setOut0的參數。

總結上面的內容。我們知道，setOut0(PrintStream ps)的作用，就是將ps設置為System.java的out靜態變量。

 

前面，已經說過FileDescriptor.out就是機器的“標准輸出(屏幕)”的文件標識符。我們可以通俗的將文件標識符就理解為，FileDescriptor.out就是代表的“標准輸出”。
因此，在initializeSystemClass()中，上面的5步就是將“FileDescriptor.out”封裝了起來。封裝后的System.in既有緩沖功能；又有便利的操作接口，如print(), println(), printf()。