深刻理解Java內存模型（六）——final

與前面介紹的鎖和volatile相比較，對final域的讀和寫更像是普通的變量訪問。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，咱們經過一些示例性的代碼來分別說明這兩個規則：

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
        i = 1;                        //寫普通域
        j = 2;                        //寫final域
    }

    public static void writer () {    //寫線程A執行
        obj = new FinalExample ();
    }

    public static void reader () {       //讀線程B執行
        FinalExample object = obj;       //讀對象引用
        int a = object.i;                //讀普通域
        int b = object.j;                //讀final域
    }
}
複製代碼

這裏假設一個線程A執行writer ()方法，隨後另外一個線程B執行reader ()方法。下面咱們經過這兩個線程的交互來講明這兩個規則。

寫final域的重排序規則

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：

• JMM禁止編譯器把final域的寫重排序到構造函數以外。
• 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。

如今讓咱們分析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：

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（立刻會說明爲何須要這個假設），下圖是一種可能的執行時序：

在上圖中，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錯誤的讀取了普通變量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正確的讀取了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對象尚未構造完成（對普通域i的寫操做被重排序到構造函數外，此時初始值2尚未寫入普通域i）。

讀final域的重排序規則

讀final域的重排序規則以下：

• 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，大多數處理器也不會重排序這兩個操做。但有少數處理器容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。

reader()方法包含三個操做：

1. 初次讀引用變量obj;
2. 初次讀引用變量obj指向對象的普通域j。
3. 初次讀引用變量obj指向對象的final域i。

如今咱們假設寫線程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，下面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，該域尚未被寫線程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。

若是final域是引用類型

上面咱們看到的final域是基礎數據類型，下面讓咱們看看若是final域是引用類型，將會有什麼效果？

請看下列示例代碼：

public class FinalReferenceExample {
final int[] intArray;                     //final是引用類型
static FinalReferenceExample obj;

public FinalReferenceExample () {        //構造函數
    intArray = new int[1];              //1
    intArray[0] = 1;                   //2
}

public static void writerOne () {          //寫線程A執行
    obj = new FinalReferenceExample ();  //3
}

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

public static void reader () {              //讀線程C執行
    if (obj != null) {                    //5
        int temp1 = obj.intArray[0];       //6
    }
}
}
複製代碼

這裏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：

1. 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，咱們假設首先線程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。下面是一種可能的線程執行時序：

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，由於寫線程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。

爲何final引用不能從構造函數內「逸出」

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可見，也就是對象引用不能在構造函數中「逸出」。爲了說明問題，讓咱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) {                     //3
        int temp = obj.i;                 //4
    }
}
}
複製代碼

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，且即便在程序中操做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，由於這裏的操做1和操做2之間可能被重排序。實際的執行時序可能以下圖所示：

從上圖咱們能夠看出：在構造函數返回前，被構造對象的引用不能爲其餘線程可見，由於此時的final域可能尚未被初始化。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。

final語義在處理器中的實現

如今咱們以x86處理器爲例，說明final語義在處理器中的具體實現。

上面咱們提到，寫final域的重排序規則會要求譯編器在final域的寫以後，構造函數return以前，插入一個StoreStore障屏。讀final域的重排序規則要求編譯器在讀final域的操做前面插入一個LoadLoad屏障。

因爲x86處理器不會對寫-寫操做作重排序，因此在x86處理器中，寫final域須要的StoreStore障屏會被省略掉。一樣，因爲x86處理器不會對存在間接依賴關係的操做作重排序，因此在x86處理器中，讀final域須要的LoadLoad屏障也會被省略掉。也就是說在x86處理器中，final域的讀/寫不會插入任何內存屏障！

JSR-133爲何要加強final的語義

在舊的Java內存模型中 ，最嚴重的一個缺陷就是線程可能看到final域的值會改變。好比，一個線程當前看到一個整形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，卻發現值變爲了1（被某個線程初始化以後的值）。最多見的例子就是在舊的Java內存模型中，String的值可能會改變（參考文獻2中有一個具體的例子，感興趣的讀者能夠自行參考，這裏就不贅述了）。

爲了修補這個漏洞，JSR-133專家組加強了final的語義。經過爲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。

參考文獻

1. Java Concurrency in Practice
2. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
3. Java Concurrency in Practice
4. The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

Intel® 64 and IA-32 ArchitecturesvSoftware Developer’s Manual Volume 3A: System Programming Guide, Part 1

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