來，跟我一起干掉“final”
時(shí)間：2020-06-15 10:17:39
手機(jī)看文章
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
[導(dǎo)讀]Java 語言的每個(gè)關(guān)鍵字都設(shè)計(jì)的很巧妙，金雕玉琢，只有深度鉆研其中，才知其中懊悔，本文帶領(lǐng)大家一起深入理解 Java 內(nèi)存模型之 final。 與鎖和 volatile 相比較，對(duì) final 域的讀和寫更像是普通的變量訪問。對(duì)于 final 域，編譯器和處理器要遵守兩個(gè)重排序規(guī)
Java 語言的每個(gè)關(guān)鍵字都設(shè)計(jì)的很巧妙，金雕玉琢，只有深度鉆研其中，才知其中懊悔，本文帶領(lǐng)大家一起深入理解 Java 內(nèi)存模型之 final。
-
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)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。
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。下面我們通過這兩個(gè)線程的交互來說明這兩個(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; // 寫普通域 j = 2; // 寫 final 域 } public static void writer () { // 寫線程 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 } }
寫 final 域的重排序規(guī)則
寫 final 域的重排序規(guī)則禁止把 final 域的寫重排序到構(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。
-
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。
寫 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之前，對(duì)象的 final 域已經(jīng)被正確初始化過了，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)象還沒有構(gòu)造完成（對(duì)普通域 i 的寫操作被重排序到構(gòu)造函數(shù)外，此時(shí)初始值 2 還沒有寫入普通域 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。
-
初次讀引用變量 obj;
-
初次讀引用變量 obj 指向?qū)ο蟮钠胀ㄓ?j。
-
初次讀引用變量 obj 指向?qū)ο蟮?final 域 i。
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)，該域還沒有被寫線程 A 寫入，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：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 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：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 () { // 寫線程 A 執(zhí)行 obj = new FinalReferenceExample (); //3 } public static void writerTwo () { // 寫線程 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 } } }
- 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)象的引用賦值給一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作之間不能重排序。
在上圖中，1 是對(duì) final 域的寫入，2 是對(duì)這個(gè) final 域引用的對(duì)象的成員域的寫入，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 C 至少能看到數(shù)組下標(biāo) 0 的值為 1。而寫線程 B 對(duì)數(shù)組元素的寫入，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。如果想要確保讀線程 C 看到寫線程 B 對(duì)數(shù)組元素的寫入，寫線程 B 和讀線程 C 之間需要使用同步原語（lock 或 volatile）來確保內(nèi)存可見性。
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，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)中被正確初始化過了。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，也就是對(duì)象引用不能在構(gòu)造函數(shù)中“逸出”。為了說明問題，讓我們來看下面示例代碼：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。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：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“逸出” } public static void writer() { new FinalReferenceEscapeExample (); } public static void reader { if (obj != null) { //3 int temp = obj.i; //4 } } }
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，因?yàn)榇藭r(shí)的 final 域可能還沒有被初始化。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 語義在處理器中的實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)在我們以 x86 處理器為例，說明 final 語義在處理器中的具體實(shí)現(xiàn)。上面我們提到，寫 final 域的重排序規(guī)則會(huì)要求譯編器在 final 域的寫之后，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 - 寫操作做重排序，所以在 x86 處理器中，寫 final 域需要的 StoreStore 障屏?xí)皇÷缘簟Ｍ瑯?，由?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。也就是說在 x86 處理器中，final 域的讀 / 寫不會(huì)插入任何內(nèi)存屏障！JSR-133 為什么要增強(qiáng) final 的語義
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?1（被某個(gè)線程初始化之后的值）。最常見的例子就是在舊的 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 的語義。通過為 final 域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。免責(zé)聲明：本文內(nèi)容由21ic獲得授權(quán)后發(fā)布，版權(quán)歸原作者所有，本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。文章僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表本平臺(tái)立場(chǎng)，如有問題，請(qǐng)聯(lián)系我們，謝謝！
下載文檔
