final关键字及final域的内存语义

final 关键字可以声明成员变量、方法、类以及本地变量。

通过为final域增加写和读重排序规则,可以为Java程序员提供初始化安全保证:只要对象是正确构造的,不需要使用同步(指lock和volatile的使用)就可以保证任意线程都能看到这个final域在构造函数中被初始化之后的值。

一、final 使用

一旦你将引用声明作final,你将不能改变这个引用了,编译器会检查代码,如果你试图将变量再次初始化的话,编译器会报编译错误。

1.1、final 变量

final 可以声明成员变量和本地变量(局部变量)。

1)必须显示初始化

final 修饰变量,必须要显示初始化。这里有两种初始化方式,一种是在变量声明的时候初始化;第二种方法是在声明变量的时候不赋初值,但是要在这个变量所在的类的所有的构造函数中对这个变量赋初值。

在类成员中 final如果和 static一起使用,作为类常量使用,此时必须在声明时初始化赋值。

本地变量(局部变量)也必须在声明时赋值,不属于类变量,无法在构造函数中赋值。

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public class FinalTest {
/*与static一起使用,做类常量,必须声明时初始化赋值*/
// private final static String a; //报错
private final static String a = null;

/*可以在声明时初始化赋值,也可以在构造函数中赋值*/
private final String b = "b";
private final String c;
public FinalTest(String c) {
this.c = c;
}
}

2)基本数据类型和引用类型变量

final 修饰基本数据类型变量,不可变的是变量值,在初始化后不可改变;

final 修饰引用类型变量,不可变的是引用指向的对象地址,引用指向的对象内容是可以变化的。对其初始化之后便不能再让其指向其他对象了,但该引用所指向的对象的内容是可以发生变化的。

1.2、final 方法

final 方法不能被重写。

使用 final 修饰方法的原因:把方法锁定,以防任何继承类修改它的含义,即该方法不能被子类重写。

1.3、final 类

final 类不能被继承。

​ final 类中的变量可以为final,也可以非final。
​ final 类中的方法默认为final,因为不会被覆写。

1.4、final其他特点

  • 接口中声明的所有变量本身是final的。

    接口中定义的成员变量,默认都是public static final的常量(静态字段)。

  • finalabstract是相反的,不会一起出现。

  • finalstatic:一起使用,可修饰变量、修饰方法,不可被改变重写,通过类名直接访问。

  • 父类中 private final 方法,子类可以重新定义同名方法,这种情况不是重写。

二、final 的重排序规则

对于 final 域,编译器和处理器要遵守两个重排序规则:

  • 在构造函数内对一个 final 域的写入,与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量,这两个操作之间不能重排序。

    原因:编译器会在 final 域的写之后,构造函数 return 之前,插入一个 StoreStore 屏障

  • 初次读一个包含 final 域的对象的引用,与随后初次读这个 final 域,这两个操作之间不能重排序。

    原因:编译器会在读 final 域操作的前面插入一个 LoadLoad 屏障

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public class FinalExample {
int i; //普通变量
final int j; //final变量
static FinalExample obj;

public FinalExample() { //构造函数
i = 1; //写普通域
j = 2; //写final域
}

public static void writer() { //写线程A执行
obj = new FinalExample();
}

public static void reader() { //读线程B执行
FinalExample object = obj; //读对象引用
int a = object.i; //读普通域
int b = object.j; //读final域
}
}

这里假设一个线程 A 执行 writer () 方法,随后另一个线程 B 执行 reader () 方法。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

2.1、写 final 域的重排序规则

1)分析

writer () 方法只包含一行代码:FinalExample obj = new FinalExample ()

这行代码包含两个步骤:构造一个 FinalExample 类型的对象;把这个对象的引用赋值给引用变量 obj。

假设线程 B 读对象引用与读对象的成员域之间没有重排序,下图是一种可能的执行时序:

write_final_reordering

在上图中,写普通域 i 的操作被编译器重排序到了构造函数之外,读线程 B 错误的读取了普通变量 i 初始化之前的值。

而写 final 域的操作,被写 final 域的重排序规则 “限定” 在了构造函数之内,读线程 B 正确的读取了 final 变量初始化之后的值。

2)规则描述

写 final 域的重排序规则如下:

  • JMM (Java 内存模型)禁止编译器把 final 域的写重排序到构造函数之外

    编译器会在 final 域的写之后,构造函数 return 之前,插入一个 StoreStore 屏障。这个屏障禁止处理器把 final 域的写重排序到构造函数之外。

写 final 域的重排序规则可以确保:在对象引用为任意线程可见之前,对象的 final 域已经被正确初始化过了,而普通域不具有这个保障。以上图为例,在读线程 B “看到” 对象引用 obj 时,很可能 obj 对象还没有构造完成(对普通域 i 的写操作被重排序到构造函数外,此时初始值 2 还没有写入普通域 i)。

2.2、读 final 域的重排序规则

1)分析

初次读对象引用与初次读该对象包含的 final 域,这两个操作之间存在间接依赖关系。由于编译器遵守间接依赖关系,因此编译器不会重排序这两个操作。

大多数处理器也会遵守间接依赖,大多数处理器也不会重排序这两个操作。但有少数处理器允许对存在间接依赖关系的操作做重排序(比如 alpha 处理器),这个规则就是专门用来针对这种处理器。

reader () 方法包含三个操作:

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public static void reader() {       
FinalExample object = obj; //初次读引用变量 obj
int a = object.i; //初次读引用变量 obj 指向对象的普通域 j
int b = object.j; //初次读引用变量 obj 指向对象的 final 域 i
}

假设写线程 A 没有发生任何重排序,同时程序在不遵守间接依赖的处理器上执行,下面是一种可能的执行时序:

read_final_reordering

在上图中,读对象的普通域的操作被处理器重排序到读对象引用之前。读普通域时,该域还没有被写线程 A 写入,这是一个错误的读取操作。

而读 final 域的重排序规则会把读对象 final 域的操作 “限定” 在读对象引用之后,此时该 final 域已经被 A 线程初始化过了,这是一个正确的读取操作。

2)规则描述

读 final 域的重排序规则如下:

  • 在一个线程中,初次读对象引用与初次读该对象包含的 final 域,JMM 禁止处理器重排序这两个操作(注意,这个规则仅仅针对处理器)。

    编译器会在读 final 域操作的前面插入一个 LoadLoad 屏障

读 final 域的重排序规则可以确保:在读一个对象的 final 域之前,一定会先读包含这个 final 域的对象的引用。在这个示例程序中,如果该引用不为 null,那么引用对象的 final 域一定已经被 A 线程初始化过了。

2.3、如果 final 域是引用类型

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public class FinalReferenceExample {
final int[] intArray; // final 是引用类型
static FinalReferenceExample obj;

public FinalReferenceExample() { // 构造函数
intArray = new int[1]; // 1.对 final 域的写入
intArray[0] = 1; // 2.对这个 final 域引用的对象的成员域的写入
}

public static void writerOne() { // 写线程 A
obj = new FinalReferenceExample(); // 3.把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量
}

public static void writerTwo() { // 写线程 B
obj.intArray[0] = 2; //4.
}

public static void reader() { // 读线程 C
if (obj != null) { //5.
int temp1 = obj.intArray[0]; //6.
}
}
}

1)分析

假设首先线程 A 执行 writerOne () 方法,执行完后线程 B 执行 writerTwo () 方法,执行完后线程 C 执行 reader () 方法。下面是一种可能的线程执行时序:

reference_final_reordering

线程 A :obj = new FinalReferenceExample()主要包括:

1 是写 final 引用:intArray = new int[1];

2 是写 final 引用对象的成员域:intArray[0] = 1;

3 是把构造对象的引用赋值给引用变量 obj 。

这里除了前面提到的 1 不能和 3 重排序外,2 和 3 也不能重排序。

JMM 可以确保读线程 C 至少能看到写线程 A 在构造函数中对 final 引用对象的成员域的写入。即 C 至少能看到数组下标 0 的值为 1。而写线程 B 对数组元素的写入,读线程 C 可能看的到,也可能看不到。JMM 不保证线程 B 的写入对读线程 C 可见,因为写线程 B 和读线程 C 之间存在数据竞争,此时的执行结果不可预知。

如果想要确保读线程 C 看到写线程 B 对数组元素的写入,写线程 B 和读线程 C 之间需要使用同步原语(lock 或 volatile)来确保内存可见性

2)描述

  • 在构造函数内对一个 final 引用的对象的成员域的写入,与随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量,这两个操作之间不能重排序。

三、为什么 final 引用不能从构造函数内”逸出“

写 final 域的重排序规则可以确保:在引用变量为任意线程可见之前,该引用变量指向的对象的 final 域已经在构造函数中被正确初始化过了。

其实要得到这个效果,还需要一个保证:在构造函数内部,不能让这个被构造对象的引用为其他线程可见,也就是对象引用不能在构造函数中 “逸出”。

为了说明问题,让我们来看下面示例代码:

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public class FinalReferenceEscapeExample {

final int i;
static FinalReferenceEscapeExample obj;

public FinalReferenceEscapeExample() {
i = 1; // 1.写 final 域
obj = this; // 2.这里非正确构造,被构造对象的 this 引用在构造函数中 “逸出”,执行 read () 方法的线程仍然可能无法看到 final 域被初始化后的值
}

public static void writer() {
new FinalReferenceEscapeExample();
}

public static void reader() {
if (obj != null) { //3
int temp = obj.i; //4
}
}
}

假设一个线程 A 执行 writer () 方法,另一个线程 B 执行 reader () 方法。

这里的操作 2(obj = this )使得对象还未完成构造前就为线程 B 可见。即使这里的操作 2 是构造函数的最后一步,且即使在程序中操作 2 排在操作 1 后面,执行 read () 方法的线程仍然可能无法看到 final 域被初始化后的值,因为这里的操作 1 和操作 2 之间可能被重排序。

实际的执行时序可能如下图所示:

reference_escape_final_example

从上图可以看出:在构造函数返回前,被构造对象的引用不能为其他线程可见(不能将 final 引用在构造函数内逸出),因为此时的 final 域可能还没有被初始化。在构造函数返回后,任意线程都将保证能看到 final 域正确初始化之后的值。

四、final 语义

通过为 final 域增加写和读重排序规则,可以为 java 程序员提供初始化安全保证:

只要对象是正确构造的(被构造对象的引用在构造函数中没有 “逸出”),那么不需要使用同步(指 lock 和 volatile 的使用),就可以保证任意线程都能看到这个 final 域在构造函数中被初始化之后的值。

final 关键字的可见性是指::被 final 修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,并且构造器没有把 “this” 的引用传递出去( this 引用逃逸是一件很危险的事情,其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那在其他线程中就能看见 final 字段的值。

《Java并发编程的艺术》