读书笔记-Java并发编程的艺术-第3章(Java内存模型)-第6节(final域的内存语义)

文章目录

3.6 final域的内存语义
- 3.6.1 final 域的重排序规则
- 3.6.2 写final 域的重排序规则
- 3.6.3 读final 域的重排序规则
- 3.6.4 final 域为引用类型
- 3.6.5 为什么 final 引用不能从构造函数内“逸出”
- 3.6.6 final 语义在处理器中的实现
- 3.6.7 JSR-133 为什么要增强final 的语义

3.6 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。

3.6.1 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fnal域的写人，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。

下面通过一些示例性的代码来分别说明这两个规则。

public class FinalExample {
    int i;
    final int j;

    static FinalExample obj;

    public FinalExample() {         // 构造函数
        this.i = 1;                 // 写普通域
        this.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readerO方法。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

3.6.2 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。

1. JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外。
1. 编译器会在 final域的写之后，构造函数return之前，插人一个 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，如下。

1. 构造一个 FinalExample 类型的对象。
1. 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。

在下图中，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错误地读取了普通变量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正确地读取了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1还没有写入普通域i)。

在这里插入图片描述
总结：构造函数被引用时，里面的属性是final类型则值肯定被重写赋值了，若不是final类型则可能还没有被重新赋值，也就是说构造器只是构建了一个对象，但是构造器里面的内容不一定会在构造器被引用的时候执行，需要属性是final类型才一定会在被引用时立即执行。

3.6.3 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(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。

初次读对象引用与初次读该对象包含的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。大多数处理器也会遵守间接依赖，也不会重排序这两个操作。但有少数处理器允许对存在间接依赖关系的操作做重排序(比如alpha处理器)，这个规则就是专门用来针对这种处理器的。

reader()方法包含3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，下图所示是一种可能的执行时序。

在这里插入图片描述

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写人，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。

读final域的重排序规则可以确保:在读一个对象的fnal域之前，一定会先读包含这个final域的对象的引用。在这个示例程序中，如果该引用不为null，那么引用对象的 final域一定已经被A线程初始化过了。

总结：使用构造器，并得到构造器里的属性值时，若属性是final类型，则肯定是已经是新值了，而非final类型，则可能还没有被赋值，
这时读取的就是构造器里内容执行之前的值。

3.6.4 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?
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() {         // 读线程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
        }
    }
}

本例final域为一个引用类型，它引用一个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人，与随后在构造函数外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。

对上面的示例程序，假设首先线程A执行writerOne()方法，执行完后线程B执行writerTwo()方法，执行完后线程C执行reader()方法。
下图是一种可能的线程执行时序。

在下图中，1是对final域的写人，2是对这个final域引用的对象的成员域的写人，3是把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量。这里除了前面提到的1不能和3重排序外，2和3也不能重排序。

JMM可以确保读线程C至少能看到写线程A在构造函数中对final引用对象的成员域的写人。即C至少能看到数组下标0的值为1。而写线程B对数组元素的写入，读线程C可能看得到，也可能看不到。JMM不保证线程B的写人对读线程C可见，因为写线程B和读线程C之间存在数据竞争，此时的执行结果不可预知。

如果想要确保读线程C看到写线程B对数组元素的写入，写线程B和读线程C之间需要使用同步原语(lock或volatile)来确保内存可见性。

3.6.5 为什么 final 引用不能从构造函数内“逸出”

前面我们提到过，写final域的重排序规则可以确保:在引用变量为任意线程可见之前，该引用变量指向的对象的final域已经在构造函数中被正确初始化过了。其实，要得到这个效果，还需要一个保证:在构造函数内部，不能让这个被构造对象的引用为其他线程所见，也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。为了说明问题，让我们来看下面的示例代码。

class FinalReferenceEscapeExample {
    final int i;             

    static FinalReferenceEscapeExample obj;

    public FinalReferenceEscapeExample() {       
        i = 1;                        // 1 写final域
        obj = this;                   // 2 this引用在此"逸出"
    }

    public static void writer() {       
        obj = new FinalReferenceEscapeExample();   
    }

    public static void reader() {            
        if (obj != null) {                   // 3
            int temp = obj.i;                // 4
        }
    }
}

在这里插入图片描述

假设一个线程A执行writer()方法，另一个线程B执行reader()方法。这里的操作2使得对象还未完成构造前就为线程B可见。即使这里的操作2是构造函数的最后一步，且在程序中操作2排在操作1后面，执行read0)方法的线程仍然可能无法看到na城被初始化后的值，因为这里的操作1和操作2之间可能被重排序。实际的执行时序可能如下图所示。

在这里插入图片描述

从上图可以看出：在构造函数返回前，被构造对象的引用不能为其他线程所见，因为此时的final域可能还没有被初始化。在构造函数返回后，任意线程都将保证能看到final域正确初始化之后的值。

3.6.6 final 语义在处理器中的实现

现在我们以X86处理器为例，说明final语义在处理器中的具体实现。

上面我们提到，写final域的重排序规则会要求编译器在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。

由于X86处理器不会对写-写操作做重排序，所以在X86处理器中，写final域需要的StoreStore 屏障会被省略掉。同样，由于X86处理器不会对存在间接依赖关系的操作做重排序，所以在X86处理器中，读final域需要的LoadLoad屏障也会被省略掉。也就是说，在X86处理器中，final域的读/写不会插人任何内存屏障!

3.6.7 JSR-133 为什么要增强final 的语义

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(还未初始化之前的默认值)，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(被某个线程初始化之后的值)。最常见的例子就是在旧的Java 内存模型中，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规则，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(被构造对象的引用在构造函数中没有“逸出”)，那么不需要使用同步（指lock和 volatie 的使用）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。