[C#解惑] #2 对象的初始化顺序

谜题

在上一篇C#解惑中，我们提到了对象的初始化顺序。当我们创建一个子类的实例时，总是会先执行基类的构造函数，然后再执行子类的构造函数。那么实例字段是什么时候初始化的呢？静态构造函数和静态字段呢？今天我们就来研究一下这个话题。

我们先来看这样一段代码：

class Foo
{
    public Foo(string s)
    {
        Console.WriteLine(s);
    }
    public void Bar() { }
}
class Base
{
    readonly Foo baseFoo1 = new Foo("Base initializer");
    static readonly Foo baseFoo2 = new Foo("Base static initializer");
    static Base()
    {
        Console.WriteLine("Base static constructor");
    }
    public Base()
    {
        Console.WriteLine("Base constructor");
    }
}
class Derived : Base
{
    readonly Foo derivedFoo1 = new Foo("Derived initializer");
    static readonly Foo derivedFoo2 = new Foo("Derived static initializer");
    static Derived()
    {
        Console.WriteLine("Derived static constructor");
    }
    public Derived()
    {
        Console.WriteLine("Derived constructor");
    }
}
static class Program
{
    static void Main()
    {
        new Derived();
        Console.Read();
    }
}

猜一猜它的输出结果是什么？如果猜不出来，就运行一下看看吧。

Derived static initializer
Derived static constructor
Derived initializer
Base static initializer
Base static constructor
Base initializer
Base constructor
Derived constructor

是不是有点出乎你的意料？没关系，我们来一步一步解释。

解惑

上期已经介绍了构造函数的初始化顺序，所以这次略过不谈，直接来看看实例成员的初始化器。一般来说，我们在构造一个类型的实例时，会先初始化成员，然后初始化构造函数（编译器会把初始化成员的代码编译到构造函数代码的最顶部）。但初始化一个子类的时候，父类的成员、构造函数的初始化，和子类的成员、构造函数的初始化顺序是什么样的呢？

实例初始化器和实例构造函数的执行顺序

我们把上面的代码简化一下，去掉静态构造函数和静态初始化器。

class Base
{
    readonly Foo baseFoo = new Foo("Base initializer");
    public Base()
    {
        Console.WriteLine("Base constructor");
    }
}
class Derived : Base
{
    readonly Foo derivedFoo = new Foo("Derived initializer");
    public Derived()
    {
        Console.WriteLine("Derived constructor");
    }
}

结果如下所示：

Derived initializer
Base initializer
Base constructor
Derived constructor

这可能会有点出乎你的意料，因为直观上来说，似乎应该是先初始化父类的成员和构造函数，再初始化子类的成员和构造函数：

Base Initializers
Base Constructor
Derived Initializers
Derived Constructor

但实际上为什么会先初始化子类的成员呢？这是因为，按照这样的初始化顺序，所有引用类型的只读字段（注意这里的readonly并不是随手写写的）都能确保在调用时不为null。而如果先初始化基类的成员和构造函数，就无法给出这样的保证。

比如下面的代码：

internal class Base
{
    public Base()
    {
        Console.WriteLine("Base constructor");
        if (this is Derived) (this as Derived).N();
        // would deref null if we are constructing an instance of Derived
        M();
        // would deref null if we are constructing an instance of MoreDerived
    }

    public virtual void M()
    {
    }
}
internal class Derived : Base
{
    private readonly Foo derivedFoo = new Foo("Derived initializer");

    public void N()
    {
        derivedFoo.Bar();
    }
}
internal class MoreDerived : Derived
{
    public override void M()
    {
        N();
    }
}

如注释所示，在构造Derived类型的实例时，如果先初始化Base的构造函数，后初始化Derived的成员，那么在Base的构造函数中调用Derived的N时，derivedFoo就会为null，因为它还没有初始化。试想一下，你正在调用一个对象的方法，但这个对象的字段没有初始化，构造函数也还没有执行，这显然是不合理的。

同样，在构造MoreDerived时，在Base的构造函数中调用M(进而调用N）也会得到空引用，因为Derived的derivedFoo仍然没有初始化。

注意 尽管类似if (this is Derived) (this as Derived).N();这样的代码是合法的，但是一定注意不要这样写。在基类的构造函数中，把“自己”转换为自己的子类，想想都不可思议……

因此，类型的初始化顺序必须是这样的：

Derived initializer
Base initializer
Base constructor
Derived constructor

静态初始化器和静态构造函数的初始化顺序

我们都知道，静态构造函数是一个特殊的构造函数，它在该类型的所有成员（包括实例构造函数）第一次被访问之前执行。而与实例的初始化器会在实例构造函数之前执行类似，静态初始化器会在静态构造函数之前执行。结合这两点，我们来看看本文最初的谜题。在执行new Derived()时，是第一次访问Derived类，此时会率先执行它的静态构造函数，而在执行静态构造函数之前，会执行静态初始化器。因此打印的结果应该为：

Derived static initializer
...
Derived static constructor
...
Derived constructor

现在问题来了，基类的静态构造函数会被执行吗？如果会，是在什么时候执行的呢？会和实例构造函数一样，在子类的静态初始化器之后吗？

Derived static initializer
Base static initializer
Base static constructor
Derived static constructor

稍加思考我们就能得出答案。由于静态初始化器和静态构造函数都是静态的，所以在执行的时候并不会出发基类的任何行为（记住我们前面说的，只有当类的成员被调用的时候，才会执行静态初始化器和静态构造函数）。因此在它们之后应该继续执行子类的实例初始化器。而在这之后，按顺序该执行基类的实例初始化器了，这时基类的成员第一次被调用，会出发基类的静态初始化器和静态构造函数，此后再执行基类的实例初始化器，并按顺序继续执行下去。

因此最终的结果为：

Derived static initializer
Derived static constructor
Derived initializer
Base static initializer
Base static constructor
Base initializer
Base constructor
Derived constructor