主要讲解final的内存语义和使用方式。
前言
看这篇文章前,建议先看完《Java并发编程系列1-基础知识》,因为相关知识有很强的依赖,这篇文章也是Java内存模型JMM相关文章的最后一篇。
final禁止指令重排分析
该部分内容基本摘抄自《深入理解Java内存模型》,仅加入自己的总结,更详细讲解可以直接参考此书。
对final域的读和写更像是普通的变量访问,编译器和处理器要遵守两个重排序规则:
- 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。
- 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,注意两者的调用先后关系!
下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。
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:
- 构造一个FinalExample类型的对象;
- 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(马上会说明为什么需要这个假设),下图是一种可能的执行时序:
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)。
总结一下:也就是对象初始化final变量和普通变量,然后将初始化的对象引用赋值给其它变量前,final变量可以保证已经被初始化,但是普通变量不能保证,可能会导致读取的普通变量是一个空值,或者说是未初始化的值,导致异常。
读final域的重排序规则
读final域的重排序规则如下:
- 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。
reader()方法包含三个操作:
- 初次读引用变量obj;
- 初次读引用变量obj指向对象的普通域j。
- 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:
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。
总结一下:在读一个对象的final变量之前,一定会先读包含这个final域的对象的引用,所以不用担心读到对象的final变量,会因为重排除导致读到的是一个未初始化的值,但是对象的普通变量就不能这样保证。
对读和写finlal域,整体总结一下: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。
如果final域是引用类型
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
}
}
}
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