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

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()。