详解Java编程中static关键字和final关键字的使用

Java static关键字以及Java静态变量和静态方法
static 修饰符能够与变量、方法一起使用，表示是“静态”的。

静态变量和静态方法能够通过类名来访问，不需要创建一个类的对象来访问该类的静态成员，所以static修饰的成员又称作类变量和类方法。静态变量与实例变量不同，实例变量总是通过对象来访问，因为它们的值在对象和对象之间有所不同。

请看下面的例子：

public class Demo {
  static int i = 10;
  int j;
  Demo() {
    this.j = 20;
  }
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("类变量 i=" + Demo.i);
    Demo obj = new Demo();
    System.out.println("实例变量 j=" + obj.j);
  }
}

运行结果：

类变量 i=10
实例变量 j=20

static 的内存分配

静态变量属于类，不属于任何独立的对象，所以无需创建类的实例就可以访问静态变量。之所以会产生这样的结果，是因为编译器只为整个类创建了一个静态变量的副本，也就是只分配一个内存空间，虽然有多个实例，但这些实例共享该内存。实例变量则不同，每创建一个对象，都会分配一次内存空间，不同变量的内存相互独立，互不影响，改变 a 对象的实例变量不会影响 b 对象。

请看下面的代码：

public class Demo {
  static int i;
  int j;
  public static void main(String[] args) {
    Demo obj1 = new Demo();
    obj1.i = 10;
    obj1.j = 20;
    
    Demo obj2 = new Demo();
    
    System.out.println("obj1.i=" + obj1.i + ", obj1.j=" + obj1.j);
    System.out.println("obj2.i=" + obj2.i + ", obj2.j=" + obj2.j);
  }
}

运行结果：

obj1.i=10, obj1.j=20
obj2.i=10, obj2.j=0

注意：静态变量虽然也可以通过对象来访问，但是不被提倡，编译器也会产生警告。

上面的代码中，i 是静态变量，通过 obj1 改变 i 的值，会影响到 obj2；j 是实例变量，通过 obj1 改变 j 的值，不会影响到 obj2。这是因为 obj1.i 和 obj2.i 指向同一个内存空间，而 obj1.j 和 obj2.j 指向不同的内存空间，请看下图：

注意：static 的变量是在类装载的时候就会被初始化。也就是说，只要类被装载，不管你是否使用了这个static 变量，它都会被初始化。

小结：类变量(class variables)用关键字 static 修饰，在类加载的时候，分配类变量的内存，以后再生成类的实例对象时，将共享这块内存（类变量），任何一个对象对类变量的修改，都会影响其它对象。外部有两种访问方式：通过对象来访问或通过类名来访问。
静态方法

静态方法是一种不能向对象实施操作的方法。例如，Math 类的 pow() 方法就是一个静态方法，语法为 Math.pow(x, a)，用来计算 x 的 a 次幂，在使用时无需创建任何 Math 对象。

因为静态方法不能操作对象，所以不能在静态方法中访问实例变量，只能访问自身类的静态变量。

以下情形可以使用静态方法：
一个方法不需要访问对象状态，其所需参数都是通过显式参数提供（例如 Math.pow()）。
一个方法只需要访问类的静态变量。

读者肯定注意到，main() 也是一个静态方法，不对任何对象进行操作。实际上，在程序启动时还没有任何对象，main() 方法是程序的入口，将被执行并创建程序所需的对象。

关于静态变量和静态方法的总结：
一个类的静态方法只能访问静态变量；
一个类的静态方法不能够直接调用非静态方法；
如访问控制权限允许，静态变量和静态方法也可以通过对象来访问，但是不被推荐；
静态方法中不存在当前对象，因而不能使用 this，当然也不能使用 super；
静态方法不能被非静态方法覆盖；
构造方法不允许声明为 static 的；
局部变量不能使用static修饰。

静态方法举例：

public class Demo {
  static int sum(int x, int y){
    return x + y;
  }
  public static void main(String[] args) {
    int sum = Demo.sum(10, 10);
    System.out.println("10+10=" + sum);
  }
}

运行结果：

10+10=20

static 方法不需它所属的类的任何实例就会被调用，因此没有 this 值，不能访问实例变量，否则会引起编译错误。

注意：实例变量只能通过对象来访问，不能通过类访问。
静态初始器（静态块）

块是由大括号包围的一段代码。静态初始器(Static Initializer)是一个存在于类中、方法外面的静态块。静态初始器仅仅在类装载的时候（第一次使用类的时候）执行一次，往往用来初始化静态变量。

示例代码：

public class Demo {
  public static int i;
  static{
    i = 10;
    System.out.println("Now in static block.");
  }
  public void test() {
    System.out.println("test method: i=" + i);
  }
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Demo.i=" + Demo.i);
    new Demo().test();
  }
}

运行结果是：

Now in static block.
Demo.i=10
test method: i=10

静态导入

静态导入是 Java 5 的新增特性，用来导入类的静态变量和静态方法。

一般我们导入类都这样写：

import packageName.className; // 导入某个特定的类

或

import packageName.*; // 导入包中的所有类

而静态导入可以这样写：

import static packageName.className.methonName; // 导入某个特定的静态方法

或

import static packageName.className.*; // 导入类中的所有静态成员

导入后，可以在当前类中直接用方法名调用静态方法，不必再用 className.methodName 来访问。

对于使用频繁的静态变量和静态方法，可以将其静态导入。静态导入的好处是可以简化一些操作，例如输出语句 System.out.println(); 中的 out 就是 System 类的静态变量，可以通过 import static java.lang.System.*; 将其导入，下次直接调用 out.println() 就可以了。

请看下面的代码：

import static java.lang.System.*;
import static java.lang.Math.random;
public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    out.println("产生的一个随机数：" + random());
  }
}

运行结果：

产生的一个随机数：0.05800891549018705

Java final关键字：阻止继承和多态
在 Java 中，声明类、变量和方法时，可使用关键字 final 来修饰。final 所修饰的数据具有“终态”的特征，表示“最终的”意思。具体规定如下：
final 修饰的类不能被继承。
final 修饰的方法不能被子类重写。
final 修饰的变量（成员变量或局部变量）即成为常量，只能赋值一次。
final 修饰的成员变量必须在声明的同时赋值，如果在声明的时候没有赋值，那么只有 一次赋值的机会，而且只能在构造方法中显式赋值，然后才能使用。
final 修饰的局部变量可以只声明不赋值，然后再进行一次性的赋值。

final 一般用于修饰那些通用性的功能、实现方式或取值不能随意被改变的数据，以避免被误用，例如实现数学三角方法、幂运算等功能的方法，以及数学常量π=3.141593、e=2.71828 等。

事实上，为确保终态性，提供了上述方法和常量的 java.lang.Math 类也已被定义为final 的。

需要注意的是，如果将引用类型（任何类的类型）的变量标记为 final，那么该变量不能指向任何其它对象。但可以改变对象的内容，因为只有引用本身是 final 的。

如果变量被标记为 final，其结果是使它成为常数。想改变 final 变量的值会导致一个编译错误。下面是一个正确定义 final 变量的例子：

public final int MAX_ARRAY_SIZE = 25; // 常量名一般大写

常量因为有 final 修饰，所以不能被继承。

请看下面的代码：

public final class Demo{
  public static final int TOTAL_NUMBER = 5;
  public int id;
  public Demo() {
    // 非法，对final变量TOTAL_NUMBER进行二次赋值了
    // 因为++TOTAL_NUMBER相当于 TOTAL_NUMBER=TOTAL_NUMBER+1
    id = ++TOTAL_NUMBER;
  }
  public static void main(String[] args) {
    final Demo t = new Demo();
    final int i = 10;
    final int j;
    j = 20;
    j = 30; // 非法，对final变量进行二次赋值
  }
}

final 也可以用来修饰类（放在 class 关键字前面），阻止该类再派生出子类，例如 Java.lang.String 就是一个 final 类。这样做是出于安全原因，因为要保证一旦有字符串的引用，就必须是类 String 的字符串，而不是某个其它类的字符串（String 类可能被恶意继承并篡改）。

方法也可以被 final 修饰，被 final 修饰的方法不能被覆盖；变量也可以被 final 修饰，被 final 修饰的变量在创建对象以后就不允许改变它们的值了。一旦将一个类声明为 final，那么该类包含的方法也将被隐式地声明为 final，但是变量不是。

被 final 修饰的方法为静态绑定，不会产生多态（动态绑定），程序在运行时不需要再检索方法表，能够提高代码的执行效率。在Java中，被 static 或 private 修饰的方法会被隐式的声明为 final，因为动态绑定没有意义。

由于动态绑定会消耗资源并且很多时候没有必要，所以有一些程序员认为：除非有足够的理由使用多态性，否则应该将所有的方法都用 final 修饰。

这样的认识未免有些偏激，因为 JVM 中的即时编译器能够实时监控程序的运行信息，可以准确的知道类之间的继承关系。如果一个方法没有被覆盖并且很短，编译器就能够对它进行优化处理，这个过程为称为内联(inlining)。例如，内联调用 e.getName() 将被替换为访问 e.name 变量。这是一项很有意义的改进，这是由于CPU在处理调用方法的指令时，使用的分支转移会扰乱预取指令的策略，所以，这被视为不受欢迎的。然而，如果 getName() 在另外一个类中被覆盖，那么编译器就无法知道覆盖的代码将会做什么操作，因此也就不能对它进行内联处理了。