Java System.in 本質解析：為什麼抽象類 InputStream 能被實例化賦值給 in

問題核心

`System.in` 聲明為 `public final static InputStream in = nullInputStream();`
`InputStream` 是抽象類，不能直接 `new InputStream()`，但 `nullInputStream()` 返回的是**具體子類實例** (或 `null`)，而非抽象類本身。

源碼級追蹤 (JDK 8/11/17 核心邏輯一致)

// java.lang.System
public final static InputStream in = nullInputStream();
public final static PrintStream out = nullPrintStream();
public final static PrintStream err = nullPrintStream();

private static InputStream nullInputStream() {
    // 安全檢查：防止類初始化循環依賴
    if (currentTimeMillis() > 0) 
        return null; // 早期返回 null，後續由 initializeSystemStreams() 真正初始化
    throw new NullPointerException();
}

// 真正初始化在私有靜態方法中 (JVM 啟動時調用)
private static void initializeSystemStreams() {
    // 獲取文件描述符 0 (stdin)
    FileDescriptor fdIn = FileDescriptor.in; 
    // 創建 BufferedInputStream 包裝 FileInputStream (具體實現類)
    InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fdIn));
    // 通過反射設置 final 字段 (JDK 內部特權操作)
    setIn0(in); 
    // out/err 同理包裝為 BufferedOutputStream -> PrintStream
}

關鍵點解析

1. 多態賦值：`InputStream in = new BufferedInputStream(...)` 完全合法。`BufferedInputStream` 繼承 `FilterInputStream` → `InputStream`，實現了所有抽象方法 (`read()` 等)。
2. 延遲初始化：`nullInputStream()` 先返回 `null` 避免類初始化死鎖，JVM 啟動後由 `initializeSystemStreams()` (native/反射) 注入真實流。
3. Native 層支撐：`FileInputStream` 通過 JNI 調用操作系統 `read` 系統調用 (Linux `read(fd, buf, count)`，Windows `ReadFile`)，實際讀取鍵盤/管道/重定向輸入。
4. 緩衝裝飾：`BufferedInputStream` 增加 8KB 緩衝區，減少系統調用次數，提升性能。

應用開發者無需關心的細節

• 直接使用 `System.in`、`new Scanner(System.in)`、`new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))`。
• 重定向輸入：`java MyProg < input.txt`，OS 層面已將 fd 0 指向文件，Java 透明感知。
• 測試時模擬輸入：`System.setIn(new ByteArrayInputStream("test\n".getBytes()))` (利用 `setIn0` 反射修改 final 字段)。

延伸：System.out/err 同理

PrintStream out = new PrintStream(
    new BufferedOutputStream(
        new FileOutputStream(FileDescriptor.out)), true); // autoFlush=true

`true` 參數開啟自動刷新：遇換行、調用 `println`、寫入位元組數組時自動 `flush()`，保證控制台即時輸出。