上篇并發(fā)編程之Java內(nèi)存模型volatile的內(nèi)存語(yǔ)義介紹了volatile的內(nèi)存語(yǔ)義，本文講述的是final的內(nèi)存語(yǔ)義，相比之下，final域的讀和寫(xiě)更像是普通變量的訪問(wèn)。

1、final域的重排序規(guī)則final

對(duì)于final域編譯器和處理器遵循兩個(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)對(duì)象的引用賦值給另一個(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。
  

用代碼來(lái)說(shuō)明上面兩種重排序規(guī)則：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/11 20:37
 */
public class FinalExample {

    /** 普通變量 */
    int i;
    /** final變量 */
    final int j;
    /** 對(duì)象引用 */
    static FinalExample obj;

    /**
     * 構(gòu)造函數(shù)
     */
    public FinalExample() {
        // 寫(xiě)普通域
        this.i = 1;
        // 寫(xiě)final域
        this.j = 2;
    }

    /**
     * 線程A執(zhí)行writer寫(xiě)方法
     *
     */
    public static void writer() {
        obj = new FinalExample();
    }

    /**
     * 線程B執(zhí)行reader讀方法
     *
     */
    public static void reader() {
        // 讀對(duì)象的引用
        FinalExample finalExample = obj;
        // 讀普通域
        int a = finalExample.i;
        // 讀final域
        int b = finalExample.j;
    }
}

假設(shè)線程A執(zhí)行writer()方法，線程B執(zhí)行reader()方法。下面來(lái)通過(guò)這兩個(gè)線程的交互來(lái)說(shuō)明這兩個(gè)規(guī)則。

2、寫(xiě)final域的重排序規(guī)則

寫(xiě)final域的重排序禁止吧final域的寫(xiě)重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。通過(guò)如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

• 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)在開(kāi)始分析writer()方法：

 /**
   * 線程A執(zhí)行writer寫(xiě)方法
   *
   */
public static void writer() {
    obj = new FinalExample();
}

• 構(gòu)造一個(gè)FinalExample類型的對(duì)象
• 將對(duì)象的引用賦值給變量obj


首先假設(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，則下圖是其一種執(zhí)行可能

 線程執(zhí)行時(shí)序圖：

3、讀final與的重排序規(guī)則

讀final域的重排序規(guī)則是，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（注意是處理器）。編譯器會(huì)在讀final域操作的前面插入一個(gè)LoadLoad屏障。

解釋：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。

• 編譯器遵守間接依賴關(guān)系，編譯器不會(huì)重排序這兩個(gè)操作
• 大多數(shù)處理器也遵守間接依賴，不會(huì)重排序這兩個(gè)操作。但是少部分處理器允許對(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)針對(duì)這種處理器的。
  

分析reader()方法：

  /**
    * 線程B執(zhí)行reader讀方法
    *
    */
public static void reader() {
    // 讀對(duì)象的引用
    FinalExample finalExample = obj;
    // 讀普通域
    int a = finalExample.i;
    // 讀final域
    int b = finalExample.j;
}

• 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
  

假設(shè)B線程所處的處理器不遵守間接依賴關(guān)系，且A線程執(zhí)行過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生任何重排序，此時(shí)存在如下的執(zhí)行時(shí)序：

線程執(zhí)行時(shí)序圖：

上圖B線程中讀對(duì)象的普通域被重排序到處理器讀取對(duì)象引用之前， 此時(shí)普通域i還沒(méi)有被線程A寫(xiě)入，因此這是一個(gè)錯(cuò)誤的讀取操作。但是final域的讀取會(huì)被重排序規(guī)則把讀final域的操作“限定”在讀該final域所屬對(duì)象的引用讀取之后，此時(shí)final域已經(jīng)被正確的初始化了，這是一個(gè)正確的讀取操作。

總結(jié)：

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。

4、final域?yàn)橐妙愋?/h2>

上面講述了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型，如果final域修飾的引用類型又該如何？

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      final 修飾引用類型變量
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/11 21:52
 */
public class FinalReferenceExample {

    /** final是引用類型 */
    final int[] intArray;
    static FinalReferenceExample obj;
    
    /**
     * 構(gòu)造函數(shù)
     */
    public FinalReferenceExample() {
        this.intArray = new int[1];  // 1
        intArray[0] = 1;             // 2
    }

    /**
     * 寫(xiě)線程A執(zhí)行
     */
    public static void writer1() {
        obj = new FinalReferenceExample();      // 3
    }

    /**
     * 寫(xiě)線程B執(zhí)行
     */
    public static void writer2() {
        obj.intArray[0] = 2;                    // 4
    }

    /**
     * 讀線程C執(zhí)行
     */
    public static void reader() {
        if (obj != null) {                      // 5
            int temp = obj.intArray[0];         // 6
        }
    }
}

如上final域?yàn)橐粋€(gè)int類型的數(shù)組的引用變量。對(duì)應(yīng)引用類型，寫(xiě)final域的重排序?qū)幾g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)象的引用賦值給另一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作不能重排序。
  

對(duì)于上述程序，假設(shè)A執(zhí)行writer1()方法，執(zhí)行完后線程B執(zhí)行writer2()方法，執(zhí)行完后線程C執(zhí)行reader()方法。則存在如下線

程執(zhí)行時(shí)序：引用型final的執(zhí)行時(shí)序圖

JMM對(duì)于上述代碼，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。即寫(xiě)線程C至少能看到數(shù)組下標(biāo)0的值為1。但是寫(xiě)線程B對(duì)數(shù)組元素的寫(xiě)入，讀線程C可能看得到可能看不到。JMM不能保證線程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。

此時(shí)如果想確保讀線程C看到寫(xiě)線程B對(duì)數(shù)組元素的寫(xiě)入，可以結(jié)合同步原語(yǔ)（volatile或者lock）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5、為什么final引用不能從構(gòu)造函數(shù)內(nèi)“逸出”

本文一直在說(shuō)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)中被正確初始化了。那究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

其實(shí)這需要另一個(gè)條件：在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部，不能讓這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用被其它線程所見(jiàn)。也就是對(duì)象引用不能在構(gòu)造函數(shù)中“逸出”。

示例代碼：

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *   final引用逸出demo
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/11 22:33
 */
public class FinalReferenceEscapeExample {

    final int i;
    static FinalReferenceEscapeExample obj;

    public FinalReferenceEscapeExample() {
        i = 1;                            // 1、寫(xiě)final域
        obj = this;              // 2、this引用在此處"逸出"
    }

    public static void writer() {
        new FinalReferenceEscapeExample();
    }

    public static void reader() {
        if (obj != null) {                 // 3
            int temp = obj.i;              // 4
        }
    }
}

假設(shè)線程A執(zhí)行writer()方法，線程B執(zhí)行reader()方法。這里操作2導(dǎo)致對(duì)象還未完成構(gòu)造前就對(duì)線程B可見(jiàn)了。因?yàn)?和2允許重排序，所以線程B可能無(wú)法看到final域被正確初始化后的值。實(shí)際執(zhí)行的時(shí)序圖可能如下所示：

多線程執(zhí)行時(shí)序圖：

總結(jié)：

在構(gòu)造函數(shù)返回之前，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)被初始化。而在構(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。

6、final語(yǔ)義在處理器中的實(shí)現(xiàn)

舉例X86處理器中final語(yǔ)義的具體實(shí)現(xiàn)。

在編譯器中會(huì)存在如下的處理：

• 寫(xiě)final域的重排序規(guī)則會(huì)要求編譯器在final域的寫(xiě)之后，構(gòu)造函數(shù)return之前插入一個(gè)StoreStore屏障
• 讀final域的重排序規(guī)則要求編譯器在讀final域的操作前插入一個(gè)LoadLoad屏障
  

但是，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屏障會(huì)被省略。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。因此，在X86處理器中，final域的讀/寫(xiě)不會(huì)插入任何內(nèi)存屏障。

7、JSR-133為什么要增強(qiáng)final的語(yǔ)義

在舊的Java內(nèi)存模型中，一個(gè)最嚴(yán)重的缺陷就是現(xiàn)場(chǎng)可能看到final域的值會(huì)改變。比如一個(gè)線程讀取一個(gè)被final域的值為0（未初始化之前的默認(rèn)值），過(guò)一段時(shí)間再讀取初始化后的final域的值，卻發(fā)現(xiàn)變?yōu)榱?。因此為了修復(fù)此漏洞，JSR-133增強(qiáng)了final語(yǔ)義。

總結(jié)：

通過(guò)為final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障：只要對(duì)象正確構(gòu)造（被構(gòu)造對(duì)象額引用在構(gòu)造函數(shù)中沒(méi)有“逸出”），那么不需要使用同步原語(yǔ)（volatile和lock的使用）就可以保障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。

到此這篇關(guān)于Java內(nèi)存模型final的內(nèi)存語(yǔ)義的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java內(nèi)存模型final的內(nèi)存語(yǔ)義內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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