浅谈静态字段与静态构造函数之间的初始化关系以及执行顺序

kittywei 2012-04-13

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偶然看到一道面试题，题目如下：

1 public class A 2 { 3 public static int X; 4 static A() 5 { 6 X = B.Y + 1; 7 } 8 } 9 public class B 10 { 11 public static int Y = A.X + 1; 12 static B() 13 { } 14 } 15 class Program 16 { 17 static void Main(string[] args) 18 { 19 Console.WriteLine("X={0},Y={1}", A.X, B.Y); 20 Console.ReadLine(); 21 } 22 }

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要求写出结果。
当然，因为我不是在面试的情况下遇到这题，所以直接在电脑上运行了，结果是：。回过头来想想，当执行Console.WriteLine("X={0},Y={1}", A.X, B.Y)一句之时，求取A.X的顺序在前，因此程序首先进入到A的静态构造函数中去计算X的值，而X的值依赖于B的静态成员Y，所以程序应该跳转到B中去求取Y的值，而Y=A.X+1，此时不会再一次进入A中去求取X的值，而是使用整型变量的默认值0，这样计算出来Y的值等于1，返回到A的构造函数中继续计算，得到X的结果为2，符合运行之后得到的结果。为证明我的想法，我在程序中设置断点并单步执行，执行的顺序和我想象一致。
至此，如我一般的菜鸟认为已经没什么问题了。正巧碰到一朋友，此人乃一高手，我将程序发与他，并告知自己所想。朋友看后，很快给我发会一份代码并让我猜测结果，代码如下：

1 public class A
2     {
3         public static int X;
4         static A()
5         {
6             X = B.Y + 1;
7         }
8     }
9
10
11     public class B
12     {
13         public static int Y = A.X+1;
14         B()
15         { }
16     }
17
18
19     class Program
20     {
21         static void Main(string[] args)
22         {
23             Console.WriteLine("X={0},Y={1}", A.X, B.Y);
24             Console.ReadLine();
25         }
26     }
27
28

我大致一看，似乎还是我发过去的程序，一问之下，原来B的构造函数不再是静态了。B的构造函数体内没有任何代码，我想当然的认为结果还是和原来一样，但运行之后让我大吃一惊，结果居然成了。一个没有任何代码的空构造函数，只是由静态改为非静态，居然会得到完全不同的结果，这真是让我意想不到。看来，在程序的执行过程之上，有一些东西是我所不了解的。还好我懂得“谦受益，满招损”的道理，于是向朋友求教。在朋友的一步步指导之下，终于明白了其中的缘由，整理记录以备遗忘之时查询，也希望如我一般的菜鸟能够从中多少受益。
先考虑最简单的情况，只有Main函数所在的那一个类。我们都知道，对于控制台应用程序，Main函数是入口函数，那么，在程序进入到Main函数之前都发生了些什么呢？我们通过代码来看一看：

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我在第3，7，13行都设置了断点。在进入到Main函数之前，编译器会先检查所有的静态字段并给予默认值。我们运行程序，可以看到执行到num2=1的时候进入到断点。此时num1，num2,num3都被赋予了默认的值0，单步执行，进入到静态构造函数，接下来是主函数。
我们接着考虑有两个类的情况，还是先看代码：

1 class Program
2     {
3         public static int num1;
4         public static int num2 = 1;
5         public static int num3;
6         static void Main(string[] args)
7         {
8             Console.WriteLine(num2);
9             Console.WriteLine(A.num4);//注意在这里引用到了类A的静态成员
10             Console.ReadLine();
11         }
12         static Program()
13         {
14             Console.WriteLine(num1);
15             num3++;
16             Console.WriteLine(num3);
17         }
18     }
19
20     class A
21     {
22         public static int num4 = 1;
23         A()//注意这里是非静态的构造函数
24         {
25         }
26     }

通过单步执行，可以看到首先是Program类的静态字段被赋值，然后进入到Program类的静态构造函数，执行完构造函数，程序并不是进入Main函数，而是先进入到类A，对静态字段赋值，然后才会进入到Main函数之中。至此，我们似乎可以得出结论，在进入到Main函数之前，类的静态字段会先被赋值，并且Main函数所在类的静态字段会先于类A被赋值。那么，再增加一个类会怎样呢？我们看代码：

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通过单步执行，我们可以看到在执行了Program的静态构造函数之后，进入到类A里边对A的静态成员进行赋值，然后直接进入到Main函数，类B中的代码并没有得到执行的机会。从编译器对代码进行优化的角度来看，这很合理，类B并不需要执行，因此单步执行也无法进入到类B中。通过在Main函数中增加Console.WriteLine(B.num5)，我们可以通过单步执行进入到类B中；通过在Main函数中调节引用A.num4和B.num5的顺序，我们能够看到先引用哪个类的成员，在单步执行中就会先进入到哪个类中。据此我们可以得出结论：在被引用到类的静态成员按引用的先后顺序初始化之后，程序才进入到Main函数中。
在此之前并没有什么让人疑惑之处。接下来我们把上边的代码稍微修改下：

class Program
    {
        public static int num1;
        public static int num2 = 1;
        public static int num3;
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine(num2);
            Console.WriteLine(B.num5);//这里引用了类B的静态成员
            Console.ReadLine();
        }
        static Program()
        {
            Console.WriteLine(num1);
            num3++;
            Console.WriteLine(num3);
        }
    }

    class A
    {
        public static int num4 = 1;
        A()//注意这里是非静态的构造函数
        {
        }
    }

    class B
    {
        public static int num5 = A.num4+1;//类B中引用了类A的静态成员
        B(){}//注意这里是非静态的构造函数
    }

我们根据先前的代码执行过程知道在进入Main函数之前会对引用到的类的静态成员进行初始化。现在我们看到，Main函数引用到的是类B的成员。根据经验，我们可能会认为，程序会先执行到类B里边，在对B的静态成员求值的时候再进入到类A里边。事情是否真的是这样呢？目前只考虑了非静态的构造函数，如果是静态的构造函数，又会得出怎样的结果呢？有心人可以自己进行实际的测试，我也会在下篇给出自己测试所得到的结果以及自己的一点看法。

在上篇中留下了一个问题，想来有心的读者已经自行解决问题并且得出了自己的结论。事实上，程序并不是象通常的函数调用，进进入主调函数，然后进入被调函数。在这里，通过单步执行，可以看到程序先进入到类A中进行静态成员的初始化，然后进入到类B中进行B的静态成员的赋值，最后才进入Main函数。我们可以猜测，编译器根据Main函数中所用到的类的先后顺序对类的静态成员进行初始化。在我们的例子中，编译器检查到引用了类B的静态成员，接着继续检查该成员又用到了类A的静态成员，经过优化，编译器先初始化了类A的静态成员，然后是类B，然后回到主函数继续来执行，这符合我们看到的单步执行的顺序。
然而，在有构造函数的情况下，事情又非如此。还是刚才的例子，我们把类A的构造函数改为静态，代码如下：

1 class A 2 { 3 public static int num4 = 1; 4 static A()//注意这里是静态的构造函数 5 { 6 } 7 } 8 9 class B 10 { 11 public static int num5 = A.num4+1;//类B中引用了类A的静态成员 12 B(){}//注意这里是非静态的构造函数 13 }

消除行号

通过单步执行，我们可以看到，程序先进入到了类B，在对B的静态成员求值的时候才进入了类A，最后进入Main函数。现在，我们再做一点改动，把类B的构造函数也改为静态的：

1 class Program
2     {
3         public static int num1;
4         public static int num2 = 1;
5         public static int num3;
6         static void Main(string[] args)
7         {
8             Console.WriteLine(num2);
9             Console.WriteLine(B.num5);//这里引用了类B的静态成员
10             Console.ReadLine();
11         }
12         static Program()
13         {
14             Console.WriteLine(num1);
15             num3++;
16             Console.WriteLine(num3);
17         }
18     }
19
20     class A
21     {
22         public static int num4 = 1;
23         static A()//注意这里是静态的构造函数
24         {
25         }
26     }
27
28     class B
29     {
30         public static int num5 = A.num4+1;//类B中引用了类A的静态成员
31         static B(){}//注意这里改为了静态的构造函数
32     }

通过单步执行，我们可以看到会先进入到Main函数中，然后进入到类B，然后是类A。
    现在，我们可以做一个最终猜测了：编译器在编译的时候，会事先分析所需要的静态字段，如果这些静态字段所在的类有静态的构造函数，则忽略字段的初始化，否则先进行静态字段的初始化。对类的静态成员初始化的顺序取决于在Main函数中的引用顺序，先引用到的先进行初始化，但如果类的静态成员的初始化依赖于其它类的静态成员，则会先初始化被依赖类的静态成员。而带有静态构造函数的类的静态字段，只有在引用到的时候才进行初始化。
    回过头来考虑最初令人有些迷惑的代码，可以发现已经不再难以理解。第一段代码中A和B都是具有静态构造函数的类，所以是从Main函数中引用到类A的时候开始进入到类A进行初始化，在初始化的过程中又用到了B的静态成员，然后进入到B中。对于第二段代码，由于B是非静态的构造函数，所以会在主函数执行前被初始化，同样由于初始化的过程中用到了类A的静态成员，然后跳转到类A。这样就造成了代码一和代码二运行之后得到不同的结果。

    附：文中所用代码仅为示例之用，并不符合良好代码的规范和要求。尤其使用未经赋值的字段是一个非常不好的编程习惯，请阅读此文的人予以注意。