【搞定Java并发编程】第11篇：final域的内存语义

心已赠人 2022-04-06 14:13 226阅读 0赞

### 上一篇文章：锁的内存语义：[https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84921447][https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84921447] ###

## **目  录**： ##

**1、final域的重排序规则**

**2、写final域的重排序规则**

**3、读final域的重排序规则**

**4、final域为引用类型**

**5、为什么final引用不能从构造函数内“逸出”？**

**6、final语义在处理器中的实现**

**7、JSR-133为什么要增强final的语义？**

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与前文中介绍的锁和volatile相比，对final域的读和写更像是普通的变量访问。本文主要用来介绍final域的内存语义。

# 1、final域的重排序规则 #

对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：

> **1、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；**
> 
> **2、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。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

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# 2、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：

1.  构造一个FinalExample类型的对象；
2.  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，下图表示是一种可能的执行时序：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

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 ）。

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# 3、读final域的重排序规则 #

读final域的重排序规则是：**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。

初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，这两个操作之间存在**间接依赖关系**。由于编译器遵守间接依赖关系，因此编译器不会重排序这两个操作。大多数处理器也会遵守间接依赖，大多数处理器也不会重排序这两个操作。但有少数处理器允许对存在间接依赖关系的操作做重排序（比如alpha处理器），这个规则就是专门用来针对这种处理器。

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：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

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**。

**读final域的重排序规则可以确保：在读一个对象的final域之前，一定会先读包含这个final域的对象的引用。**在这个示例程序中，如果该引用不为null，那么引用对象的final域一定已经被A线程初始化过了。

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# 4、final域为引用类型 #

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
            }
        }
    }

这里final域为一个引用类型，它引用一个int型的数组对象。对于引用类型，写final域的重排序规则对编译器和处理器增加了如下约束：**在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后在构造函数外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**。

对上面的示例程序，我们假设首先线程A执行writerOne()方法，执行完后线程B执行writerTwo()方法，执行完后线程C执行reader ()方法。下面是一种可能的线程执行时序：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

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。

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# 5、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：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

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。**

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# 6、final语义在处理器中的实现 #

现在我们以x86处理器为例，说明final语义在处理器中的具体实现。

上面我们提到，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。

由于x86处理器不会对写-写操作做重排序，所以在x86处理器中，写final域需要的StoreStore障屏会被省略掉。同样，由于x86处理器不会对存在间接依赖关系的操作做重排序，所以在x86处理器中，读final域需要的LoadLoad屏障也会被省略掉。

也就是说**在x86处理器中，final域的读/写不会插入任何内存屏障**！

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# 7、JSR-133为什么要增强final的语义？ #

在旧的Java内存模型中 ，最严重的一个缺陷就是线程可能看到final域的值会改变。比如，一个线程当前看到一个整形final域的值为0（还未初始化之前的默认值），过一段时间之后这个线程再去读这个final域的值时，却发现值变为了1（被某个线程初始化之后的值）。最常见的例子就是在旧的Java内存模型中，String的值可能会改变。

为了修补这个漏洞，JSR-133专家组增强了final的语义。**通过为final域增加写和读重排序规则，可以为Java程序员提供初始化安全保证：只要对象是正确构造的（被构造对象的引用在构造函数中没有“逸出”），那么不需要使用同步（指lock和volatile的使用），就可以保证任意线程都能看到这个final域在构造函数中被初始化之后的值**。

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**上一篇文章：锁的内存语义：[https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84921447][https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84921447]**

本文内容来源于：《Java并发编程的艺术》一书

图片来源于：[https://blog.csdn.net/a724888/article/details/60881109][https_blog.csdn.net_a724888_article_details_60881109]

[https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84921447]: https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84921447
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