灵魂拷问：你真的理解System.out.println()打印原理吗？
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")));
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。
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。
