上篇并發(fā)編程之Java內(nèi)存模型volatile的內(nèi)存語義介紹了volatile的內(nèi)存語義，本文講述的是final的內(nèi)存語義，相比之下，final域的讀和寫更像是普通變量的訪問。
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。
用代碼來說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() {
// 寫普通域
this.i = 1;
// 寫final域
this.j = 2;
}
/**
* 線程A執(zhí)行writer寫方法
*
*/
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。下面來通過這兩個(gè)線程的交互來說明這兩個(gè)規(guī)則。
2、寫final域的重排序規(guī)則
寫final域的重排序禁止吧final域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。通過如下方式來實(shí)現(xiàn)：
- JMM禁止編譯器把final域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外
- 編譯器會(huì)在final域的寫之后，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域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。
現(xiàn)在開始分析writer()方法：
/**
* 線程A執(zhí)行writer寫方法
*
*/
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)行過程中沒有發(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還沒有被線程A寫入，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
}
/**
* 寫線程A執(zhí)行
*/
public static void writer1() {
obj = new FinalReferenceExample(); // 3
}
/**
* 寫線程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)象的成員域的寫入。即寫線程C至少能看到數(shù)組下標(biāo)0的值為1。但是寫線程B對(duì)數(shù)組元素的寫入，讀線程C可能看得到可能看不到。JMM不能保證線程B的寫入對(duì)讀線程C可見。因?yàn)閷懢€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看到寫線程B對(duì)數(shù)組元素的寫入，可以結(jié)合同步原語（volatile或者lock）來實(shí)現(xiàn)。
5、為什么final引用不能從構(gòu)造函數(shù)內(nèi)“逸出”
本文一直在說寫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。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可見了。因?yàn)?和2允許重排序，所以線程B可能無法看到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，因?yàn)榇藭r(shí)的final域可能還沒被初始化。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語義在處理器中的實(shí)現(xiàn)
舉例X86處理器中final語義的具體實(shí)現(xiàn)。
在編譯器中會(huì)存在如下的處理：
- 寫final域的重排序規(guī)則會(huì)要求編譯器在final域的寫之后，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-寫操作做重排序，所以在X86處理器中，寫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語義。
總結(jié)：
通過為final增加寫和讀重排序規(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)中沒有“逸出”），那么不需要使用同步原語（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)存語義內(nèi)容請(qǐng)搜索服務(wù)器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服務(wù)器之家！
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