來，跟我一起干掉“final”
時間：2020-06-15 10:17:39
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[導讀]Java 語言的每個關鍵字都設計的很巧妙，金雕玉琢，只有深度鉆研其中，才知其中懊悔，本文帶領大家一起深入理解 Java 內(nèi)存模型之 final。 與鎖和 volatile 相比較，對 final 域的讀和寫更像是普通的變量訪問。對于 final 域，編譯器和處理器要遵守兩個重排序規(guī)
Java 語言的每個關鍵字都設計的很巧妙，金雕玉琢，只有深度鉆研其中，才知其中懊悔，本文帶領大家一起深入理解 Java 內(nèi)存模型之 final。
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在構造函數(shù)內(nèi)對一個 final 域的寫入，與隨后把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操作之間不能重排序。
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初次讀一個包含 final 域的對象的引用，與隨后初次讀這個 final 域，這兩個操作之間不能重排序。
這里假設一個線程 A 執(zhí)行 writer () 方法，隨后另一個線程 B 執(zhí)行 reader () 方法。下面我們通過這兩個線程的交互來說明這兩個規(guī)則。public class FinalExample { int i; // 普通變量 final int j; //final 變量 static FinalExample obj; public void FinalExample () { // 構造函數(shù) i = 1; // 寫普通域 j = 2; // 寫 final 域 } public static void writer () { // 寫線程 A 執(zhí)行 obj = new FinalExample (); } public static void reader () { // 讀線程 B 執(zhí)行 FinalExample object = obj; // 讀對象引用 int a = object.i; // 讀普通域 int b = object.j; // 讀 final 域 } }
寫 final 域的重排序規(guī)則
寫 final 域的重排序規(guī)則禁止把 final 域的寫重排序到構造函數(shù)之外。這個規(guī)則的實現(xiàn)包含下面 2 個方面：-
JMM 禁止編譯器把 final 域的寫重排序到構造函數(shù)之外。
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編譯器會在 final 域的寫之后，構造函數(shù) return 之前，插入一個 StoreStore 屏障。這個屏障禁止處理器把 final 域的寫重排序到構造函數(shù)之外。
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構造一個 FinalExample 類型的對象；
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把這個對象的引用賦值給引用變量 obj。
寫 final 域的重排序規(guī)則可以確保：在對象引用為任意線程可見之前，對象的 final 域已經(jīng)被正確初始化過了，而普通域不具有這個保障。以上圖為例，在讀線程 B“看到”對象引用 obj 時，很可能 obj 對象還沒有構造完成（對普通域 i 的寫操作被重排序到構造函數(shù)外，此時初始值 2 還沒有寫入普通域 i）。
讀 final 域的重排序規(guī)則
讀 final 域的重排序規(guī)則如下：- 在一個線程中，初次讀對象引用與初次讀該對象包含的 final 域，JMM 禁止處理器重排序這兩個操作（注意，這個規(guī)則僅僅針對處理器）。編譯器會在讀 final 域操作的前面插入一個 LoadLoad 屏障。
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初次讀引用變量 obj;
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初次讀引用變量 obj 指向?qū)ο蟮钠胀ㄓ?j。
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初次讀引用變量 obj 指向?qū)ο蟮?final 域 i。
在上圖中，讀對象的普通域的操作被處理器重排序到讀對象引用之前。讀普通域時，該域還沒有被寫線程 A 寫入，這是一個錯誤的讀取操作。而讀 final 域的重排序規(guī)則會把讀對象 final 域的操作“限定”在讀對象引用之后，此時該 final 域已經(jīng)被 A 線程初始化過了，這是一個正確的讀取操作。讀 final 域的重排序規(guī)則可以確保：在讀一個對象的 final 域之前，一定會先讀包含這個 final 域的對象的引用。在這個示例程序中，如果該引用不為 null，那么引用對象的 final 域一定已經(jīng)被 A 線程初始化過了。
# 如果 final 域是引用類型
上面我們看到的 final 域是基礎數(shù)據(jù)類型，下面讓我們看看如果 final 域是引用類型，將會有什么效果？請看下列示例代碼：這里 final 域為一個引用類型，它引用一個 int 型的數(shù)組對象。對于引用類型，寫 final 域的重排序規(guī)則對編譯器和處理器增加了如下約束：public class FinalReferenceExample { final int[] intArray; //final 是引用類型 static FinalReferenceExample obj; public FinalReferenceExample () { // 構造函數(shù) intArray = new int[ 1]; //1 intArray[ 0] = 1; //2 } public static void writerOne () { // 寫線程 A 執(zhí)行 obj = new FinalReferenceExample (); //3 } public static void writerTwo () { // 寫線程 B 執(zhí)行 obj.intArray[ 0] = 2; //4 } public static void reader () { // 讀線程 C 執(zhí)行 if (obj != null) { //5 int temp1 = obj.intArray[ 0]; //6 } } }
- 在構造函數(shù)內(nèi)對一個 final 引用的對象的成員域的寫入，與隨后在構造函數(shù)外把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操作之間不能重排序。
在上圖中，1 是對 final 域的寫入，2 是對這個 final 域引用的對象的成員域的寫入，3 是把被構造的對象的引用賦值給某個引用變量。這里除了前面提到的 1 不能和 3 重排序外，2 和 3 也不能重排序。JMM 可以確保讀線程 C 至少能看到寫線程 A 在構造函數(shù)中對 final 引用對象的成員域的寫入。即 C 至少能看到數(shù)組下標 0 的值為 1。而寫線程 B 對數(shù)組元素的寫入，讀線程 C 可能看的到，也可能看不到。JMM 不保證線程 B 的寫入對讀線程 C 可見，因為寫線程 B 和讀線程 C 之間存在數(shù)據(jù)競爭，此時的執(zhí)行結果不可預知。如果想要確保讀線程 C 看到寫線程 B 對數(shù)組元素的寫入，寫線程 B 和讀線程 C 之間需要使用同步原語（lock 或 volatile）來確保內(nèi)存可見性。
為什么 final 引用不能從構造函數(shù)內(nèi)“逸出”
前面我們提到過，寫 final 域的重排序規(guī)則可以確保：在引用變量為任意線程可見之前，該引用變量指向的對象的 final 域已經(jīng)在構造函數(shù)中被正確初始化過了。其實要得到這個效果，還需要一個保證：在構造函數(shù)內(nèi)部，不能讓這個被構造對象的引用為其他線程可見，也就是對象引用不能在構造函數(shù)中“逸出”。為了說明問題，讓我們來看下面示例代碼：假設一個線程 A 執(zhí)行 writer() 方法，另一個線程 B 執(zhí)行 reader() 方法。這里的操作 2 使得對象還未完成構造前就為線程 B 可見。即使這里的操作 2 是構造函數(shù)的最后一步，且即使在程序中操作 2 排在操作 1 后面，執(zhí)行 read() 方法的線程仍然可能無法看到 final 域被初始化后的值，因為這里的操作 1 和操作 2 之間可能被重排序。實際的執(zhí)行時序可能如下圖所示：public class FinalReferenceEscapeExample { final int i; static FinalReferenceEscapeExample obj; public FinalReferenceEscapeExample () { i = 1; //1 寫 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 } } }
從上圖我們可以看出：在構造函數(shù)返回前，被構造對象的引用不能為其他線程可見，因為此時的 final 域可能還沒有被初始化。在構造函數(shù)返回后，任意線程都將保證能看到 final 域正確初始化之后的值。
# final 語義在處理器中的實現(xiàn)
現(xiàn)在我們以 x86 處理器為例，說明 final 語義在處理器中的具體實現(xiàn)。上面我們提到，寫 final 域的重排序規(guī)則會要求譯編器在 final 域的寫之后，構造函數(shù) return 之前，插入一個 StoreStore 障屏。讀 final 域的重排序規(guī)則要求編譯器在讀 final 域的操作前面插入一個 LoadLoad 屏障。由于 x86 處理器不會對寫 - 寫操作做重排序，所以在 x86 處理器中，寫 final 域需要的 StoreStore 障屏會被省略掉。同樣，由于 x86 處理器不會對存在間接依賴關系的操作做重排序，所以在 x86 處理器中，讀 final 域需要的 LoadLoad 屏障也會被省略掉。也就是說在 x86 處理器中，final 域的讀 / 寫不會插入任何內(nèi)存屏障！JSR-133 為什么要增強 final 的語義
在舊的 Java 內(nèi)存模型中 ，最嚴重的一個缺陷就是線程可能看到 final 域的值會改變。比如，一個線程當前看到一個整形 final 域的值為 0（還未初始化之前的默認值），過一段時間之后這個線程再去讀這個 final 域的值時，卻發(fā)現(xiàn)值變?yōu)榱?1（被某個線程初始化之后的值）。最常見的例子就是在舊的 Java 內(nèi)存模型中，String 的值可能會改變（參考文獻 2 中有一個具體的例子，感興趣的讀者可以自行參考，這里就不贅述了）。為了修補這個漏洞，JSR-133 專家組增強了 final 的語義。通過為 final 域增加寫和讀重排序規(guī)則，可以為 java 程序員提供初始化安全保證：只要對象是正確構造的（被構造對象的引用在構造函數(shù)中沒有“逸出”），那么不需要使用同步（指 lock 和 volatile 的使用），就可以保證任意線程都能看到這個 final 域在構造函數(shù)中被初始化之后的值。免責聲明：本文內(nèi)容由21ic獲得授權后發(fā)布，版權歸原作者所有，本平臺僅提供信息存儲服務。文章僅代表作者個人觀點，不代表本平臺立場，如有問題，請聯(lián)系我們，謝謝！
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