final域的内存语义

与前面介绍的锁和volatile相比,对final域的读和写更像是普通的变量访问。下面将介绍final域的内存语义

1.final域的重排序规则

  对于final域,编译器和处理器要遵守两个重排序规则。
1)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。
2)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。
  下面通过一个实例说明这两个规则

public class FinalExample {
    
    int i;          // 普通变量
    final int j;    // final变量
    
    static FinalExample obj;
    
    public 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,下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

1.1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2个方面。
1)JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外,
2)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。这个屏障禁止禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。

1.2读final域的重排序规则

  读final域的重排序规则是,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。编译器会在读final域操作之前插入一个LoadLoad屏障。
  初次读对象引用与初次读对象包含的final域,这两个操作之间存在间接依赖关系。由于编译器遵守间接依赖关系,因此编译器不会重排序这两个操作。

2.final域为引用类型

  上面我们看到的final域是基础数据类型,如果final域是引用类型,将会有什么效果呢?

public class FinalReferenceExample {
    final int [] intArray;
    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 tmep1 = obj.intArray[0];        // 6
        }
    }

}

  本例final域为一个引用类型,他引用一个int型的数组对象。对于引用类型,写final域的重排序规则对编译器和处理器增加了如下约束:在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入,与随后在构造函数外把这个被构造对象引用赋值给一个引用变量,这个两个操作之间不能重排序。

3.JSR-133对final的语义的增强

  在旧的Java内存模型中,一个最严重的缺陷就是线程可能看到final域的值会改变。比如一个线程当前看到一个整型final域的值为0,过一段时间之后这个线程再去读这个final域的值时,却发现值变为1,。最常见的例子就是在旧的Java内存模型值,String的值可能会改变。
  为了修补这个漏洞,JSR-133专家组增强了final的语义。通过为final域增加写和读重排序,可以为Java程序员提供初始化安全保证:只要对象是正确构造的,那么不需要使用同步就可以保证任意线程都能看到这个final域在构造函数中被初始化之后的值。


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