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前言
與前面介紹的鎖和volatile相比較，對(duì)final域的讀和寫(xiě)更像是普通的變量訪問(wèn)。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(xiě)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(guò)一些示例性的代碼來(lái)分別說(shuō)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(xiě)普通域
j = 2; //寫(xiě)final域
}
public static void writer () { //寫(xiě)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(guò)這兩個(gè)線程的交互來(lái)說(shuō)明這兩個(gè)規(guī)則。
寫(xiě)final域的重排序規(guī)則
寫(xiě)final域的重排序規(guī)則禁止把final域的寫(xiě)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(xiě)重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。
- 編譯器會(huì)在final域的寫(xiě)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(xiě)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(méi)有重排序（馬上會(huì)說(shuō)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(xiě)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(xiě)final域的操作，被寫(xiě)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(xiě)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(jiàn)之前，對(duì)象的final域已經(jīng)被正確初始化過(guò)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(méi)有構(gòu)造完成（對(duì)普通域i的寫(xiě)操作被重排序到構(gòu)造函數(shù)外，此時(shí)初始值2還沒(méi)有寫(xiě)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(mén)用來(lái)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騤。
- 初次讀引用變量obj指向?qū)ο蟮膄inal域i。
現(xiàn)在我們假設(shè)寫(xiě)線程A沒(méi)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(méi)有被寫(xiě)線程A寫(xiě)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(guò)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(guò)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(xiě)線程A執(zhí)行
obj = new FinalReferenceExample (); //3
}
public static void writerTwo () { //寫(xiě)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) { //5
int 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(xiě)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(xiě)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(xiě)入，2是對(duì)這個(gè)final域引用的對(duì)象的成員域的寫(xiě)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(xiě)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(xiě)入。即C至少能看到數(shù)組下標(biāo)0的值為1。而寫(xiě)線程B對(duì)數(shù)組元素的寫(xiě)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(xiě)入對(duì)讀線程C可見(jiàn)，因?yàn)閷?xiě)線程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(xiě)線程B對(duì)數(shù)組元素的寫(xiě)入，寫(xiě)線程B和讀線程C之間需要使用同步原語(yǔ)（lock或volatile）來(lái)確保內(nèi)存可見(jiàn)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(guò)，寫(xiě)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)，也就是對(duì)象引用不能在構(gòu)造函數(shù)中“逸出”。為了說(shuō)明問(wèn)題，讓我們來(lái)看下面示例代碼：
public class FinalReferenceEscapeExample {
final int i;
static FinalReferenceEscapeExample obj;
public FinalReferenceEscapeExample () {
i = 1; //1寫(xiě)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(jiàn)。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(wú)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(jiàn)，因?yàn)榇藭r(shí)的final域可能還沒(méi)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(yǔ)義在處理器中的實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)在我們以x86處理器為例，說(shuō)明final語(yǔ)義在處理器中的具體實(shí)現(xiàn)。
上面我們提到，寫(xiě)final域的重排序規(guī)則會(huì)要求譯編器在final域的寫(xiě)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(xiě)-寫(xiě)操作做重排序，所以在x86處理器中，寫(xiě)final域需要的StoreStore障屏?xí)皇÷缘?。同樣，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(shuō)在x86處理器中，final域的讀/寫(xiě)不會(huì)插入任何內(nèi)存屏障！
JSR-133為什么要增強(qiáng)final的語(yǔ)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(guò)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?（被某個(gè)線程初始化之后的值）。最常見(jiàn)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(yǔ)義。通過(guò)為final域增加寫(xiě)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(méi)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。
