Java 語言的每個(gè)關(guān)鍵字都設(shè)計(jì)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(lǐng)大家一起深入理解 Java 內(nèi)存模型之 final。

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與前面介紹的鎖和 volatile 相比較，對(duì) final 域的讀和寫更像是普通的變量訪問。對(duì)于 final 域，編譯器和處理器要遵守兩個(gè)重排序規(guī)則：

在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對(duì)一個(gè) final 域的寫入，與隨后把這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用賦值給一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

初次讀一個(gè)包含 final 域的對(duì)象的引用，與隨后初次讀這個(gè) final 域，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

下面，我們通過一些示例性的代碼來分別說明這兩個(gè)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(gòu)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(duì)象引用int a = object.i; // 讀普通域int b = object.j; // 讀 final 域}}

這里假設(shè)一個(gè)線程 A 執(zhí)行 writer () 方法，隨后另一個(gè)線程 B 執(zhí)行 reader () 方法。下面我們通過這兩個(gè)線程的交互來說明這兩個(gè)規(guī)則。

# 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(gòu)造函數(shù)之外。這個(gè)規(guī)則的實(shí)現(xiàn)包含下面 2 個(gè)方面：

• JMM 禁止編譯器把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。

• 編譯器會(huì)在 final 域的寫之后，構(gòu)造函數(shù) return 之前，插入一個(gè) StoreStore 屏障。這個(gè)屏障禁止處理器把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。

現(xiàn)在讓我們分析 writer () 方法。writer () 方法只包含一行代碼：finalExample = new FinalExample ()。這行代碼包含兩個(gè)步驟：

構(gòu)造一個(gè) FinalExample 類型的對(duì)象；

把這個(gè)對(duì)象的引用賦值給引用變量 obj。

假設(shè)線程 B 讀對(duì)象引用與讀對(duì)象的成員域之間沒有重排序(馬上會(huì)說明為什么需要這個(gè)假設(shè))，下圖是一種可能的執(zhí)行時(shí)序：

在上圖中，寫普通域的操作被編譯器重排序到了構(gòu)造函數(shù)之外，讀線程 B 錯(cuò)誤的讀取了普通變量 i 初始化之前的值。而寫 final 域的操作，被寫 final 域的重排序規(guī)則“限定”在了構(gòu)造函數(shù)之內(nèi)，讀線程 B 正確的讀取了 final 變量初始化之后的值。

寫 final 域的重排序規(guī)則可以確保：在對(duì)象引用為任意線程可見之前，對(duì)象的 final 域已經(jīng)被正確初始化過了，而普通域不具有這個(gè)保障。以上圖為例，在讀線程 B“看到”對(duì)象引用 obj 時(shí)，很可能 obj 對(duì)象還沒有構(gòu)造完成(對(duì)普通域 i 的寫操作被重排序到構(gòu)造函數(shù)外，此時(shí)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(gè)線程中，初次讀對(duì)象引用與初次讀該對(duì)象包含的 final 域，JMM 禁止處理器重排序這兩個(gè)操作(注意，這個(gè)規(guī)則僅僅針對(duì)處理器)。編譯器會(huì)在讀 final 域操作的前面插入一個(gè) LoadLoad 屏障。

初次讀對(duì)象引用與初次讀該對(duì)象包含的 final 域，這兩個(gè)操作之間存在間接依賴關(guān)系。由于編譯器遵守間接依賴關(guān)系，因此編譯器不會(huì)重排序這兩個(gè)操作。大多數(shù)處理器也會(huì)遵守間接依賴，大多數(shù)處理器也不會(huì)重排序這兩個(gè)操作。但有少數(shù)處理器允許對(duì)存在間接依賴關(guān)系的操作做重排序(比如 alpha 處理器)，這個(gè)規(guī)則就是專門用來針對(duì)這種處理器。

reader() 方法包含三個(gè)操作：

初次讀引用變量 obj;

初次讀引用變量 obj 指向?qū)ο蟮钠胀ㄓ?j。

初次讀引用變量 obj 指向?qū)ο蟮?final 域 i。

現(xiàn)在我們假設(shè)寫線程 A 沒有發(fā)生任何重排序，同時(shí)程序在不遵守間接依賴的處理器上執(zhí)行，下面是一種可能的執(zhí)行時(shí)序：

在上圖中，讀對(duì)象的普通域的操作被處理器重排序到讀對(duì)象引用之前。讀普通域時(shí)，該域還沒有被寫線程 A 寫入，這是一個(gè)錯(cuò)誤的讀取操作。而讀 final 域的重排序規(guī)則會(huì)把讀對(duì)象 final 域的操作“限定”在讀對(duì)象引用之后，此時(shí)該 final 域已經(jīng)被 A 線程初始化過了，這是一個(gè)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(gè)對(duì)象的 final 域之前，一定會(huì)先讀包含這個(gè) final 域的對(duì)象的引用。在這個(gè)示例程序中，如果該引用不為 null，那么引用對(duì)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(chǔ)數(shù)據(jù)類型，下面讓我們看看如果 final 域是引用類型，將會(huì)有什么效果？

請(qǐng)看下列示例代碼：

public class FinalReferenceExample {final int[] intArray; //final 是引用類型static FinalReferenceExample obj;public FinalReferenceExample () { // 構(gòu)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) { //5int temp1 = obj.intArray[0]; //6}}}

這里 final 域?yàn)橐粋€(gè)引用類型，它引用一個(gè) int 型的數(shù)組對(duì)象。對(duì)于引用類型，寫 final 域的重排序規(guī)則對(duì)編譯器和處理器增加了如下約束：

在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對(duì)一個(gè) final 引用的對(duì)象的成員域的寫入，與隨后在構(gòu)造函數(shù)外把這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用賦值給一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

對(duì)上面的示例程序，我們假設(shè)首先線程 A 執(zhí)行 writerOne() 方法，執(zhí)行完后線程 B 執(zhí)行 writerTwo() 方法，執(zhí)行完后線程 C 執(zhí)行 reader () 方法。下面是一種可能的線程執(zhí)行時(shí)序：

在上圖中，1 是對(duì) final 域的寫入，2 是對(duì)這個(gè) final 域引用的對(duì)象的成員域的寫入，3 是把被構(gòu)造的對(duì)象的引用賦值給某個(gè)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(gòu)造函數(shù)中對(duì) final 引用對(duì)象的成員域的寫入。即 C 至少能看到數(shù)組下標(biāo) 0 的值為 1。而寫線程 B 對(duì)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(duì)讀線程 C 可見，因?yàn)閷懢€程 B 和讀線程 C 之間存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，此時(shí)的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

如果想要確保讀線程 C 看到寫線程 B 對(duì)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(gòu)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(duì)象的 final 域已經(jīng)在構(gòu)造函數(shù)中被正確初始化過了。其實(shí)要得到這個(gè)效果，還需要一個(gè)保證：在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部，不能讓這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用為其他線程可見，也就是對(duì)象引用不能在構(gòu)造函數(shù)中“逸出”。為了說明問題，讓我們來看下面示例代碼：

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) { //3int temp = obj.i; //4}}}

假設(shè)一個(gè)線程 A 執(zhí)行 writer() 方法，另一個(gè)線程 B 執(zhí)行 reader() 方法。這里的操作 2 使得對(duì)象還未完成構(gòu)造前就為線程 B 可見。即使這里的操作 2 是構(gòu)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?yàn)檫@里的操作 1 和操作 2 之間可能被重排序。實(shí)際的執(zhí)行時(shí)序可能如下圖所示：

從上圖我們可以看出：在構(gòu)造函數(shù)返回前，被構(gòu)造對(duì)象的引用不能為其他線程可見，因?yàn)榇藭r(shí)的 final 域可能還沒有被初始化。在構(gòu)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(shí)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(shí)現(xiàn)。

上面我們提到，寫 final 域的重排序規(guī)則會(huì)要求譯編器在 final 域的寫之后，構(gòu)造函數(shù) return 之前，插入一個(gè) 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(gè) LoadLoad 屏障。

由于 x86 處理器不會(huì)對(duì)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?xí)皇÷缘簟Ｍ瑯?#xff0c;由于 x86 處理器不會(huì)對(duì)存在間接依賴關(guān)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(huì)被省略掉。也就是說在 x86 處理器中，final 域的讀 / 寫不會(huì)插入任何內(nèi)存屏障！

# JSR-133 為什么要增強(qiáng) final 的語義

在舊的 Java 內(nèi)存模型中 ，最嚴(yán)重的一個(gè)缺陷就是線程可能看到 final 域的值會(huì)改變。比如，一個(gè)線程當(dāng)前看到一個(gè)整形 final 域的值為 0(還未初始化之前的默認(rèn)值)，過一段時(shí)間之后這個(gè)線程再去讀這個(gè) final 域的值時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)值變?yōu)榱?1(被某個(gè)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(huì)改變(參考文獻(xiàn) 2 中有一個(gè)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(bǔ)這個(gè)漏洞，JSR-133 專家組增強(qiáng)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(duì)象是正確構(gòu)造的(被構(gòu)造對(duì)象的引用在構(gòu)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(gè) final 域在構(gòu)造函數(shù)中被初始化之后的值。

編輯：業(yè)余草
來源：https://www.xttblog.com/?p=4957

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