Java 中 final 內存語義

        對於final域，編譯器和處理器要遵照兩個重排序規則。
                1）在構造函數內對一個final域的寫入，與隨後把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操做之間不能重排序。
                2）初次讀一個包含final域的對象的引用，與隨後初次讀這個final域，這兩個操做之間不能重排序。
        下面經過一些示例性的代碼來分別說明這兩個規則。 

        寫final域的重排序規則禁止把final域的寫重排序到構造函數以外。這個規則的實現包含下面2個方面。
                1）JMM禁止編譯器把final域的寫重排序到構造函數以外。
                2）編譯器會在final域的寫以後，構造函數return以前，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以外。
        如今讓我們分析writer()方法。writer()方法只包含一行代碼：finalExample=new FinalExample()。這行代碼包含兩個步驟，以下。
                1）構造一個FinalExample類型的對象。
                2）把這個對象的引用賦值給引用變量obj。
        假設線程B讀對象引用與讀對象的成員域之間沒有重排序（馬上會說明爲什麼須要這個假設），圖3-29是一種可能的執行時序。在下圖中，寫普通域的操做被編譯器重排序到了構造函數以外，讀線程B錯誤地讀取了普通變量i初始化以前的值。而寫final域的操做，被寫final域的重排序規則「限定」在了構造函數以內，讀線程B正確地讀取了final變量初始化以後的值。
        寫final域的重排序規則能夠確保：在對象引用爲任意線程可見以前，對象的final域已經被正確初始化過了，而普通域不具備這個保障。以上圖爲例，在讀線程B「看到」對象引用obj時，極可能obj對象還沒有構造完成（對普通域i的寫操做被重排序到構造函數外，此時初始值1還沒有寫入普通域i）。 

        讀final域的重排序規則是，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做（注意，這個規則僅僅針對處理器）。編譯器會在讀final域操做的前面插入一個LoadLoad屏障。
        初次讀對象引用與初次讀該對象包含的final域，這兩個操做之間存在間接依賴關係。因爲編譯器遵照間接依賴關係，所以編譯器不會重排序這兩個操做。大多數處理器也會遵照間接依賴，也不會重排序這兩個操做。但有少數處理器允許對存在間接依賴關係的操做作重排序（好比alpha處理器），這個規則就是專門用來針對這種處理器的。
        reader()方法包含3個操做。
            ·初次讀引用變量obj。
            ·初次讀引用變量obj指向對象的普通域j。
            ·初次讀引用變量obj指向對象的final域i。
        如今假設寫線程A沒有發生任何重排序，同時程序在不遵照間接依賴的處理器上執行，下圖所示是一種可能的執行時序。 

        在上圖中，讀對象的普通域的操做被處理器重排序到讀對象引用以前。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做。而讀final域的重排序規則會把讀對象final域的操做「限定」在讀對象引用以後，此時該final域已經被A線程初始化過了，這是一個正確的讀取操做。
        讀final域的重排序規則能夠確保：在讀一個對象的final域以前，必定會先讀包含這個final域的對象的引用。在這個示例程序中，若是該引用不爲null，那麼引用對象的final域必定已經被A線程初始化過了。 

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        上面咱們看到的final域是基礎數據類型，若是final域是引用類型，將會有什麼效果？請看下列示例代碼。 

        本例final域爲一個引用類型，它引用一個int型的數組對象。對於引用類型，寫final域的重排序規則對編譯器和處理器增長了以下約束：在構造函數內對一個final引用的對象的成員域的寫入，與隨後在構造函數外把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操做之間不能重排序。
        對上面的示例程序，假設首先線程A執行writerOne()方法，執行完後線程B執行writerTwo()方法，執行完後線程C執行reader()方法。下圖中是一種可能的線程執行時序。
        在圖中，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。這裏除了前面提到的1不能和3重排序外，2和3也不能重排序。
        JMM能夠確保讀線程C至少能看到寫線程A在構造函數中對final引用對象的成員域的寫入。即C至少能看到數組下標0的值爲1。而寫線程B對數組元素的寫入，讀線程C可能看獲得，也可能看不到。JMM不保證線程B的寫入對讀線程C可見，因爲寫線程B和讀線程C之間存在數據競爭，此時的執行結果不可預知。

        若是想要確保讀線程C看到寫線程B對數組元素的寫入，寫線程B和讀線程C之間須要使用同步原語（lock或volatile）來確保內存可見性。 

        前面咱們提到過，寫final域的重排序規則能夠確保：在引用變量爲任意線程可見以前，該引用變量指向的對象的final域已經在構造函數中被正確初始化過了。其實，要獲得這個效果，還須要一個保證：在構造函數內部，不能讓這個被構造對象的引用爲其餘線程所見，也就是對象引用不能在構造函數中「逸出」。爲了說明問題，讓我們來看下面的示例代碼。

        假設一個線程A執行writer()方法，另外一個線程B執行reader()方法。這裏的操做2使得對象還未完成構造前就爲線程B可見。即便這裏的操做2是構造函數的最後一步，且在程序中操做2排在操做1後面，執行read()方法的線程仍然可能沒法看到final域被初始化後的值，因爲這裏的操做1和操做2之間可能被重排序。實際的執行時序可能如圖所示。

        從圖中能夠看出：在構造函數返回前，被構造對象的引用不能爲其餘線程所見，因爲此時的final域可能還沒有被初始化。在構造函數返回後，任意線程都將保證能看到final域正確初始化以後的值。

JSR-133爲什麼要增強final的語義

        在舊的Java內存模型中，一個最嚴重的缺陷就是線程可能看到final域的值會改變。好比，一個線程當前看到一個整型final域的值爲0（還未初始化以前的默認值），過一段時間以後這個線程再去讀這個final域的值時，卻發現值變爲1（被某個線程初始化以後的值）。最常見的例子就是在舊的Java內存模型中，String的值可能會改變。爲了修補這個漏洞，JSR-133專家組增強了final的語義。通過爲final域增長寫和讀重排序規則，能夠爲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中沒有「逸出」），那麼不須要使用同步（指lock和volatile的使用）就能夠保證任意線程都能看到這個final域在構造函數中被初始化以後的值。 

參考：

《Java 併發編程的藝術》