content: 主要讲解final的内存语义和使用方式。

  • 2022-11-06
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title: Java并发编程系列4 - final shortTitle: Java并发编程系列4 - final description: 主要讲解final的内存语义和使用方式。 author: 楼仔 category: - 微信公众号 head: - - meta - name: description

content: 主要讲解final的内存语义和使用方式。

主要讲解 final 的内存语义和使用方式。

前言

看这篇文章前，建议先看完《Java 并发编程系列 1-基础知识》，因为相关知识有很强的依赖，这篇文章也是 Java 内存模型 JMM 相关文章的最后一篇。

final 禁止指令重排分析

该部分内容基本摘抄自《深入理解 Java 内存模型》，仅加入自己的总结，更详细讲解可以直接参考此书。

对 final 域的读和写更像是普通的变量访问，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。
  • 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。

下面，我们通过一些示例性的代码来分别说明这两个规则：

public class FinalExample {
    int i;                            //普通变量
    final int j;                      //final变量
    static FinalExample obj;
    public void 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，注意两者的调用先后关系！

下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

写 final 域的重排序规则

写 final 域的重排序规则禁止把 final 域的写重排序到构造函数之外。这个规则的实现包含下面 2 个方面：

  • JMM 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。

现在让我们分析 writer ()方法。writer ()方法只包含一行代码：finalExample = 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（马上会说明为什么需要这个假设），下图是一种可能的执行时序：

在上图中，写普通域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。

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）。

总结一下：也就是对象初始化 final 变量和普通变量，然后将初始化的对象引用赋值给其它变量前，final 变量可以保证已经被初始化，但是普通变量不能保证，可能会导致读取的普通变量是一个空值，或者说是未初始化的值，导致异常。

读 final 域的重排序规则

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。

reader()方法包含三个操作：

  1. 初次读引用变量 obj;
  2. 初次读引用变量 obj 指向对象的普通域 j。
  3. 初次读引用变量 obj 指向对象的 final 域 i。

现在我们假设写线程 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：

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。

总结一下：在读一个对象的 final 变量之前，一定会先读包含这个 final 域的对象的引用，所以不用担心读到对象的 final 变量，会因为重排除导致读到的是一个未初始化的值，但是对象的普通变量就不能这样保证。

对读和写 finlal 域，整体总结一下：写 final 域的重排序规则会要求译编器在 final 域的写之后，构造函数 return 之前，插入一个 StoreStore 障屏。读 final 域的重排序规则要求编译器在读 final 域的操作前面插入一个 LoadLoad 屏障。

如果 final 域是引用类型

上面我们看到的 final 域是基础数据类型，下面让我们看看如果 final 域是引用类型，将会有什么效果？请看下列示例代码：

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
      intArray[0] = 1;                   //2
  }
  public static void writerOne () {          //写线程A执行
      obj = new FinalReferenceExample ();  //3
  }
  public static void writerTwo () {          //写线程B执行
      obj.intArray[0] = 2;                 //4
  }
  public static void reader () {              //读线程C执行
      if (obj != null) {                    //5
          int temp1 = obj.intArray[0];       //6
      }
  }
}

在上图中，1 是对 final 域的写入，2 是对这个 final 域引用的对象的成员域的写入，3 是把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量。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。

总结一下：如果 final 域为引用类型，这个其实和非引用类型禁止重排序的规则基本一样。上面的示例，writerTwo()和 reader()同时对一个数据进行操作，存在竞争关系，也很好理解，我换一个非引用类型，也一样存在并发，解决方案就是加锁。

为什么 final 引用不能从构造函数内“逸出”

前面我们提到过，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：

public class FinalReferenceEscapeExample {
  final int i;
  static FinalReferenceEscapeExample obj;
  public FinalReferenceEscapeExample () {
      i = 1;                              //1写final域
      obj = this;                          //2 this引用在此“逸出”
  }
  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 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：

从上图我们可以看出：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，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。

上面都是八股文，也很少会遇到上述使用场景，个人也仅作兴趣了解，避免踩坑，下面总结一下 final 的常用用法。

final 关键字有几种用法

修饰普通变量

注意点：

  • 用 final 关键字修饰的变量，只能进行一次赋值操作，并且在生存期内不可以改变它的值。final 修饰的变量可以先声明，后赋值。

修饰成员变量

注意点：

  • 必须初始化值。
  • 被 final 修饰的成员变量赋值，有两种方式：1、直接赋值 2、全部在构造方法中赋初值。
  • 如果修饰的成员变量是基本类型，则表示这个变量的值不能改变。
  • 如果修饰的成员变量是一个引用类型，则是说这个引用的地址的值不能修改，但是这个引用所指向的对象里面的内容还是可以改变的。
public class Test {
    final int age = 18;
    final String name;
    final String[] hobby;
    public Test() {
        this.name = "lvmenglou";        // 正确使用
        //this.age = 20;                // 错误使用
        this.hobby = new String[4];     // 正确使用
        this.hobby[0] = "movie";        // 正确使用
        this.hobby[1] = "sing song";    // 正确使用
    }
}

修饰方法

注意点：

  • 被 final 修饰的方法不能被重写。
  • 一个类的 private 方法会隐式的被指定为 final 方法。
  • 如果父类中有 final 修饰的方法，那么子类不能去重写。

修饰类

注意点：

  • 用 final 去修饰一个类的时候，表示这个类不能被继承；
  • final 类中的成员方法都会被隐式的指定为 final 方法；
  • 被 final 修饰的类，final 类中的成员变量可以根据自己的实际需要设计为 final。

在自己设计一个类的时候，要想好这个类将来是否会被继承，如果可以被继承，则该类不能使用 final 修饰，在这里呢，一般来说工具类我们往往都会设计成为一个 final 类。在 JDK 中，被设计为 final 类的有 String、System 等。

final 和 static

很多时候会容易把 static 和 final 关键字混淆，static 作用于成员变量用来表示只保存一份副本，而 final 的作用是用来保证变量不可变。看下面这个例子：

class MyClass {
    public final double i = Math.random();
    public static double j = Math.random();
}
public class Test2 {
    public static void main(String[] args)  {
        MyClass myClass1 = new MyClass();
        MyClass myClass2 = new MyClass();
        System.out.println(myClass1.i);
        System.out.println(myClass1.j);
        System.out.println(myClass2.i);
        System.out.println(myClass2.j);
    }
}
// 输出：
// 0.6885279073145978
// 0.7678464493258529
// 0.5645174724833194
// 0.7678464493258529

运行这段代码就会发现，每次打印的两个 j 值都是一样的，而 i 的值却是不同的。从这里就可以知道 final 和 static 变量的区别了。

总结

本章详细讲解了 final 的内存语义和使用方式，内存语义主要是涉及到并发编程相关的知识，仅供了解即可。其实我们最终还是需要注重 final 的使用方式，分别从变量、方法、类，对齐进行讲解，这块知识很简单，主要是做个记录，最后是 final 和 static，也是网上看到的示例，也只做个简单的记录。

这些内容，其实是根据《深入理解 Java 内存模型》，然后结合网上的资料，做了相关整理和总结，其实都属于 Java 内存模型方面的内容，通过这 4 篇文章，大家对 Java 内存模型应该会有整体的了解，后面才真正讲解并发编程相关的知识。

参考资料：《深入理解 Java 内存模型》 《Java 并发编程实战》

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