Java并发编程系列4 - final

楼仔2022年7月5日
大约 11 分钟

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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