AI 助理
备案控制台
开发者社区 开发与运维 文章 正文

灵魂拷问：你真的理解System.out.println()打印原理吗？

2023-08-22 193
版权
版权声明：
本文内容由阿里云实名注册用户自发贡献，版权归原作者所有，阿里云开发者社区不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。具体规则请查看《 阿里云开发者社区用户服务协议》和 《阿里云开发者社区知识产权保护指引》。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容，填写 侵权投诉表单进行举报，一经查实，本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。
简介： 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：

publicfinalclassSystem {
privatestaticnativevoidregisterNatives();
static {
registerNatives();
      }
privateSystem() {
      }
publicfinalstaticInputStreamin=null;
publicfinalstaticPrintStreamout=null;
publicfinalstaticPrintStreamerr=null;
privatestaticvolatileSecurityManagersecurity=null;
publicstaticvoidsetIn(InputStreamin) {
checkIO();
setIn0(in);
     }
publicstaticvoidsetOut(PrintStreamout) {
checkIO();
setOut0(out);
      }
      ......
  }

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——

publicclassPrintStreamextendsFilterOutputStreamimplementsAppendable, Closeable  {
  ......
publicvoidprintln() {
newLine();
      }
publicvoidprintln(booleanx) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
publicvoidprintln(charx) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
publicvoidprintln(intx) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
publicvoidprintln(longx) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
publicvoidprintln(floatx) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
publicvoidprintln(doublex) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
publicvoidprintln(charx[]) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
publicvoidprintln(Stringx) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
         }
     }
   ......
 }

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——

publicvoidprint(booleanb) {
write(b?"true" : "false");
 }
publicvoidprint(charc) {
write(String.valueOf(c));
  }
publicvoidprint(inti) {
write(String.valueOf(i));
 }
publicvoidprint(longl) {
write(String.valueOf(l));
 }
publicvoidprint(floatf) {
write(String.valueOf(f));
 }
publicvoidprint(doubled) {
write(String.valueOf(d));
 }
publicvoidprint(chars[]) {
write(s);
 }
publicvoidprint(Strings) {
if (s==null) {
s="null";
     }
write(s);
 }

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——

privatevoidwrite(Strings) {
try {
synchronized (this) {
ensureOpen();
textOut.write(s);
textOut.flushBuffer();
charOut.flushBuffer();
if (autoFlush&& (s.indexOf('\n') >=0))
out.flush();
         }
     }
catch (InterruptedIOExceptionx) {
Thread.currentThread().interrupt();
     }
catch (IOExceptionx) {
trouble=true;
     }
 }

其中，ensureOpen()的方法是判断out流是否已经开启，其详细方法如下：

privatevoidensureOpen() throwsIOException {
if (out==null)
thrownewIOException("Stream closed");
 }

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——

publicfinalclassSystem {
/* register the natives via the static initializer.** VM will invoke the initializeSystemClass method to complete* the initialization for this class separated from clinit.* Note that to use properties set by the VM, see the constraints* described in the initializeSystemClass method.*/privatestaticnativevoidregisterNatives();
static {
registerNatives();
     }
 }

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：

privatestaticvoidinitializeSystemClass() {
//被vm执行系统属性初始化props=newProperties();
initProperties(props); 
sun.misc.VM.saveAndRemoveProperties(props);
//从系统属性中获取系统相关的换行符，赋值给变量lineSeparatorlineSeparator=props.getProperty("line.separator");
sun.misc.Version.init();
//分别创建in、out、err的实例对象，并通过set()方法初始化FileInputStreamfdIn=newFileInputStream(FileDescriptor.in);
FileOutputStreamfdOut=newFileOutputStream(FileDescriptor.out);
FileOutputStreamfdErr=newFileOutputStream(FileDescriptor.err);
setIn0(newBufferedInputStream(fdIn));
setOut0(newPrintStream(fdOut, props.getProperty("sun.stdout.encoding")));
setErr0(newPrintStream(fdErr, props.getProperty("sun.stderr.encoding")));
     ......
 }

主要关注这两行代码：

FileOutputStreamfdOut=newFileOutputStream(FileDescriptor.out);
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：

  1. in:标准输入(键盘)的描述符
  2. out:标准输出(屏幕)的描述符
  3. 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——

publicstaticvoidmain(String[] args) throwsIOException {
FileOutputStreamout=newFileOutputStream("C:\\file.txt");
out.write(66);
 }

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"))——

privatestaticPrintStreamnewPrintStream(FileOutputStreamfos, Stringenc) {
if (enc!=null) {
try {
returnnewPrintStream(newBufferedOutputStream(fos, 128), true, enc);
         } catch (UnsupportedEncodingExceptionuee) {}
     }
returnnewPrintStream(newBufferedOutputStream(fos, 128), true);
 }

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")));

1privatestaticnativevoid 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。

1publicfinalstatic 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。

 

文章标签：
Java
安全
朱季谦
目录
相关文章
冷色系456
|
存储 缓存 监控
服务器的介绍
服务器的介绍
冷色系456
443 0
楠竹11
|
12月前
|
编解码 人工智能 运维
南加大提出全新通用时间序列基础模型TimeDiT！基于扩散模型创新物理约束机制
 【10月更文挑战第10天】南加大提出TimeDiT模型，创新融合扩散模型与Transformer架构，针对真实世界时间序列数据的复杂性，如多分辨率、缺失值等问题，提供高效解决方案。该模型通过新颖的掩码机制和无微调编辑策略，实现多任务处理及物理知识集成，显著提升预测和异常检测的准确性和鲁棒性。
楠竹11
336 3
弹性计算-百晓生
|
10月前
|
人工智能 运维 监控
阿里云ACK容器服务生产级可观测体系建设实践
本文整理自2024云栖大会冯诗淳（花名：行疾）的演讲，介绍了阿里云容器服务团队在生产级可观测体系建设方面的实践。冯诗淳详细阐述了容器化架构带来的挑战及解决方案，强调了可观测性对于构建稳健运维体系的重要性。文中提到，阿里云作为亚洲唯一蝉联全球领导者的容器管理平台，其可观测能力在多项关键评测中表现优异，支持AI、容器网络、存储等多个场景的高级容器可观测能力。此外，还介绍了阿里云容器服务在多云管理、成本优化等方面的最新进展，以及即将推出的ACK AI助手2.0，旨在通过智能引擎和专家诊断经验，简化异常数据查找，缩短故障响应时间。
弹性计算-百晓生
471 8
阿里云ACK容器服务生产级可观测体系建设实践
郑小健
|
12月前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 算法
超越传统搜索：探索基于GraphRAG的信息检索新范式
【10月更文挑战第10天】随着信息爆炸时代的到来，如何从海量的数据中快速准确地找到所需的信息成为了一个亟待解决的问题。传统的信息检索系统主要依赖于关键词匹配和文档排名算法来提供结果，但这种方法往往无法捕捉到数据间的复杂关系，也无法很好地理解用户的查询意图。近年来，一种新的信息检索方法——基于图的检索增强生成（Graph-based Retrieval-Augmented Generation, GraphRAG）应运而生，它通过结合知识图谱与机器学习技术，为信息检索带来了全新的视角。
郑小健
295 1
李火火
|
安全 网络安全
明御安全网关任意文件上传漏洞
安恒信息明御安全网关（以下简称“NGFW”）秉持安全可视、简单有效的理念，以资产为视角，构建“事前+事中+事后”全流程防御的下一代安全防护体系，并融合传统防火墙、入侵防御系统、防病毒网关、上网行为管控、VPN网关、威胁情报等安全模块于一体的智慧化安全网关。
李火火
357 1
游客j4mujezz7vm7y
|
JavaScript 前端开发
如何在JavaScript中替换字符串：一篇详细指南
如何在JavaScript中替换字符串：一篇详细指南
游客j4mujezz7vm7y
647 2
ST小智
|
Ubuntu Linux API
linux系统中使用QT实现摄像头功能的方法
linux系统中使用QT实现摄像头功能的方法
ST小智
518 0
半夜敲代码的夜猫子-37207
|
关系型数据库 MySQL 数据库
MySQL8.0.36 安装配置教程（保姆级，包含图文讲解，环境变量的配置）适合小白
MySQL8.0.36 安装配置教程（保姆级，包含图文讲解，环境变量的配置）适合小白
半夜敲代码的夜猫子-37207
4989 2
sjf0115
|
Java 索引 安全
[Mvel]Mvel2.0使用指南一 基础
版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/SunnyYoona/article/details/75244442 MVEL在很大程度上受到Java语法的启发，作为一个表达式语言，也有一些根本的区别，旨在更高的效率，例如：直接支持集合、数组和字符串匹配等操作以及正则表达式。
sjf0115
15847 0
myysophia
目标如何设定：7 分钟重新认识 SMART 原则。
你有过很多目标，但都没达成。于是你找到了一种解决方案——SMART 目标管理原则。它是五个单词首字母的缩写——Specific、Measurable、Achievable、Relevant 和 Time-bound——你的目标必须是具体的、可衡量的、可达到的、和其他目标相关的、有时间限制的。
myysophia
793 0