從菜鳥程序員到高級架構師，竟然是因為這個字final

語言: CN / TW / HK
時間 2023-03-02 14:02:15
主題:

final實現原理

簡介

final關鍵字，實際的含義就一句話，不可改變。什麼是不可改變？就是初始化完成之後就不能再做任何的修改，修飾成員變量的時候，成員變量變成一個常數；修飾方法的時候，方法不允許被重寫；修飾類的時候，類不允許被繼承；修飾參數列表的時候，入參的對象也是不可以改變。這個就是不可變，無論是引用新的對象，重寫還是繼承，都是改變的方法，而final就是把這個變更的路給堵死

用法

final修飾變量

  • final成員變量表示常量，只能被賦值一次，賦值後值不再改變（final要求地址值不能改變）
  • 當final修飾一個基本數據類型時，表示該基本數據類型的值一旦在初始化後便不能發生變化；
  • 如果final修飾一個引用類型時，則在對其初始化之後便不能再讓其指向其他對象了，但該引用所指向的對象的內容是可以發生變化的。本質上是一回事，因為引用的值是一個地址，final要求值，即地址的值不發生變化。
  • final修飾一個成員變量（屬性），必須要顯示初始化。這裏有兩種初始化方式。
    • 一種是在變量聲明的時候初始化。
    • 第二種方法是在聲明變量的時候不賦初值，但是要在這個變量所在的類的所有的構造函數中對這個變量賦初值。

final修飾方法

使用final方法的原因有兩個。

  • 第一個原因是把方法鎖定，以防任何繼承類修改它的含義，不能被重寫；
  • 第二個原因是效率，final方法比非final方法要快，因為在編譯的時候已經靜態綁定了，不需要在運行時再動態綁定。

注：類的private方法會隱式地被指定為final方法

final修飾類

當用final修飾一個類時，表明這個類不能被繼承。

final類中的成員變量可以根據需要設為final，但是要注意final類中的所有成員方法都會被隱式地指定為final方法。

在使用final修飾類的時候，要注意謹慎選擇，除非這個類真的在以後不會用來繼承或者出於安全的考慮，儘量不要將類設計為final類。

final關鍵字的好處

  • final關鍵字提高了性能。JVM和Java應用都會緩存final變量。
  • final變量可以安全的在多線程環境下進行共享，而不需要額外的同步開銷。
  • 使用final關鍵字，JVM會對方法、變量及類進行優化。

注意事項

  • final關鍵字可以用於成員變量、本地變量、方法以及類。
  • final成員變量必須在聲明的時候初始化或者在構造器中初始化，否則就會報編譯錯誤。
  • 你不能夠對final變量再次賦值。
  • 本地變量必須在聲明時賦值。
  • 在匿名類中所有變量都必須是final變量。
  • final方法不能被重寫。
  • final類不能被繼承。
  • final關鍵字不同於finally關鍵字，後者用於異常處理。
  • final關鍵字容易與finalize()方法搞混，後者是在Object類中定義的方法，是在垃圾回收之前被JVM調用的方法。
  • 接口中聲明的所有變量本身是final的。
  • final和abstract這兩個關鍵字是反相關的，final類就不可能是abstract的。
  • final方法在編譯階段綁定，稱為靜態綁定(static binding)。
  • 沒有在聲明時初始化final變量的稱為空白final變量(blank final variable)，它們必須在構造器中初始化，或者調用this()初始化。不這麼做的話，編譯器會報錯“final變量(變量名)需要進行初始化”。
  • 將類、方法、變量聲明為final能夠提高性能，這樣JVM就有機會進行估計，然後優化。
  • 按照Java代碼慣例，final變量就是常量，而且通常常量名要大寫。
  • 對於集合對象聲明為final指的是引用不能被更改，但是你可以向其中增加，刪除或者改變內容。

原理

內存語義

寫內存語義可以確保在對象的引用為任意線程可見之前，final 域已經被初始化過了。

讀內存語義可以確保如果對象的引用不為 null，則説明 final 域已經被初始化過了。

總之，final 域的內存語義提供了初始化安全保證。

  • 寫內存語義：在構造函數內對一個 final 域的寫入，與隨後將對象引用賦值給引用變量，這兩個操作不能重排序。
  • 讀內存語義：初次讀一個包含 final 域的對象的引用，與隨後初次讀這個 final 域，這兩個操作不能重排序。

寫 final 域的重排序規則

寫 final 域的重排序規則禁止把 final 域的寫重排序到構造函數之外。這個規則的實現包含下面 2 個方面：

  • JMM 禁止編譯器把 final 域的寫重排序到構造函數之外。
  • 編譯器會在 final 域的寫之後，構造函數 return 之前，插入一個 StoreStore 屏障。這個屏障禁止處理器把 final 域的寫重排序到構造函數之外。

現在讓我們分析 writer () 方法。writer () 方法只包含一行代碼：finalExample = new FinalExample ()。這行代碼包含兩個步驟：

  1. 構造一個 FinalExample 類型的對象；
  2. 把這個對象的引用賦值給引用變量 obj。

假設線程 B 讀對象引用與讀對象的成員域之間沒有重排序（馬上會説明為什麼需要這個假設），下圖是一種可能的執行時序：

img

在上圖中，寫普通域的操作被編譯器重排序到了構造函數之外，讀線程 B 錯誤的讀取了普通變量 i 初始化之前的值。而寫 final 域的操作，被寫 final 域的重排序規則“限定”在了構造函數之內，讀線程 B 正確的讀取了 final 變量初始化之後的值。

寫 final 域的重排序規則可以確保：在對象引用為任意線程可見之前，對象的 final 域已經被正確初始化過了，而普通域不具有這個保障。以上圖為例，在讀線程 B“看到”對象引用 obj 時，很可能 obj 對象還沒有構造完成（對普通域 i 的寫操作被重排序到構造函數外，此時初始值 2 還沒有寫入普通域 i）。

讀 final 域的重排序規則

讀 final 域的重排序規則如下：

在一個線程中，初次讀對象引用與初次讀該對象包含的 final 域，JMM 禁止處理器重排序這兩個操作（注意，這個規則僅僅針對處理器）。編譯器會在讀 final 域操作的前面插入一個 LoadLoad 屏障。

初次讀對象引用與初次讀該對象包含的 final 域，這兩個操作之間存在間接依賴關係。由於編譯器遵守間接依賴關係，因此編譯器不會重排序這兩個操作。大多數處理器也會遵守間接依賴，大多數處理器也不會重排序這兩個操作。但有少數處理器允許對存在間接依賴關係的操作做重排序（比如 alpha 處理器），這個規則就是專門用來針對這種處理器。

reader() 方法包含三個操作：

  1. 初次讀引用變量 obj;
  2. 初次讀引用變量 obj 指向對象的普通域 j。
  3. 初次讀引用變量 obj 指向對象的 final 域 i

現在我們假設寫線程 A 沒有發生任何重排序，同時程序在不遵守間接依賴的處理器上執行，下面是一種可能的執行時序

img

在上圖中，讀對象的普通域的操作被處理器重排序到讀對象引用之前。讀普通域時，該域還沒有被寫線程 A 寫入，這是一個錯誤的讀取操作。而讀 final 域的重排序規則會把讀對象 final 域的操作“限定”在讀對象引用之後，此時該 final 域已經被 A 線程初始化過了，這是一個正確的讀取操作。

讀 final 域的重排序規則可以確保：在讀一個對象的 final 域之前，一定會先讀包含這個 final 域的對象的引用。在這個示例程序中，如果該引用不為 null，那麼引用對象的 final 域一定已經被 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 域是基礎數據類型，下面讓我們看看如果 final 域是引用類型，將會有什麼效果？

請看下列示例代碼：

COPYpublic class FinalReferenceExample {
    final int[] intArray;                     //final 是引用類型 
    static FinalReferenceExample obj;

    public FinalReferenceExample () {        // 構造函數 
        intArray = new int[1];              //1
        intArray[0] = 1;                   //2
    }

    public static void writerOne () {          // 寫線程 A 執行 
        obj = new FinalReferenceExample ();  //3
    }

    public static void writerTwo () {          // 寫線程 B 執行 
        obj.intArray[0] = 2;                 //4
    }

    public static void reader () {              // 讀線程 C 執行 
        if (obj != null) {                    //5
            int temp1 = obj.intArray[0];       //6
        }
    }
}

這裏 final 域為一個引用類型，它引用一個 int 型的數組對象。對於引用類型，寫 final 域的重排序規則對編譯器和處理器增加了如下約束：

在構造函數內對一個 final 引用的對象的成員域的寫入，與隨後在構造函數外把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操作之間不能重排序。

對上面的示例程序，我們假設首先線程 A 執行 writerOne() 方法，執行完後線程 B 執行 writerTwo() 方法，執行完後線程 C 執行 reader () 方法。下面是一種可能的線程執行時序：

img

在上圖中，1 是對 final 域的寫入，2 是對這個 final 域引用的對象的成員域的寫入，3 是把被構造的對象的引用賦值給某個引用變量。這裏除了前面提到的 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 在構造函數中對 final 引用對象的成員域的寫入。即 C 至少能看到數組下標 0 的值為 1。而寫線程 B 對數組元素的寫入，讀線程 C 可能看的到，也可能看不到。JMM 不保證線程 B 的寫入對讀線程 C 可見，因為寫線程 B 和讀線程 C 之間存在數據競爭，此時的執行結果不可預知。

如果想要確保讀線程 C 看到寫線程 B 對數組元素的寫入，寫線程 B 和讀線程 C 之間需要使用同步原語（lock 或 volatile）來確保內存可見性。

為什麼 final 引用不能從構造函數內“逸出”

前面我們提到過，寫 final 域的重排序規則可以確保：在引用變量為任意線程可見之前，該引用變量指向的對象的 final 域已經在構造函數中被正確初始化過了。其實要得到這個效果，還需要一個保證：在構造函數內部，不能讓這個被構造對象的引用為其他線程可見，也就是對象引用不能在構造函數中“逸出”。為了説明問題，讓我們來看下面示例代碼：

COPYpublic 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
        }
    }
}

假設一個線程 A 執行 writer() 方法，另一個線程 B 執行 reader() 方法。這裏的操作 2 使得對象還未完成構造前就為線程 B 可見。即使這裏的操作 2 是構造函數的最後一步，且即使在程序中操作 2 排在操作 1 後面，執行 read() 方法的線程仍然可能無法看到 final 域被初始化後的值，因為這裏的操作 1 和操作 2 之間可能被重排序。實際的執行時序可能如下圖所示：

img

從上圖我們可以看出：在構造函數返回前，被構造對象的引用不能為其他線程可見，因為此時的 final 域可能還沒有被初始化。在構造函數返回後，任意線程都將保證能看到 final 域正確初始化之後的值。

final 語義在處理器中的實現

現在我們以 x86 處理器為例，説明 final 語義在處理器中的具體實現。

上面我們提到，寫 final 域的重排序規則會要求譯編器在 final 域的寫之後，構造函數 return 之前，插入一個 StoreStore 障屏。讀 final 域的重排序規則要求編譯器在讀 final 域的操作前面插入一個 LoadLoad 屏障。

由於 x86 處理器不會對寫 - 寫操作做重排序，所以在 x86 處理器中，寫 final 域需要的 StoreStore 障屏會被省略掉。同樣，由於 x86 處理器不會對存在間接依賴關係的操作做重排序，所以在 x86 處理器中，讀 final 域需要的 LoadLoad 屏障也會被省略掉。也就是説在 x86 處理器中，final 域的讀 / 寫不會插入任何內存屏障！

為什麼要增強 final 的語義

在舊的 Java 內存模型中 ，最嚴重的一個缺陷就是線程可能看到 final 域的值會改變。比如，一個線程當前看到一個整形 final 域的值為 0（還未初始化之前的默認值），過一段時間之後這個線程再去讀這個 final 域的值時，卻發現值變為了 1（被某個線程初始化之後的值）。最常見的例子就是在舊的 Java 內存模型中，String 的值可能會改變。

為了修補這個漏洞，JSR-133 專家組增強了 final 的語義。通過為 final 域增加寫和讀重排序規則，可以為 java 程序員提供初始化安全保證：只要對象是正確構造的（被構造對象的引用在構造函數中沒有“逸出”），那麼不需要使用同步（指 lock 和 volatile 的使用），就可以保證任意線程都能看到這個 final 域在構造函數中被初始化之後的值。

final、finally、 finalize區別

  • final可以用來修飾類、方法、變量，分別有不同的意義，final修飾的class代表不可以繼承擴展，final的變量是不可以修改的，而final的方法也是不可以重寫的（override）。
  • finally則是Java保證重點代碼一定要被執行的一種機制。我們可以使用try-finally或者try-catch-finally來進行類似關閉JDBC連接、保證unlock鎖等動作。
  • finalize是基礎類java.lang.Object的一個方法，它的設計目的是保證對象在被垃圾收集前完成特定資源的回收。finalize機制現在已經不推薦使用，並且在JDK 9開始被標記為deprecated。

本文由傳智教育博學谷狂野架構師教研團隊發佈。

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