一.final域的重排序規則

對于final域，編譯器和處理器要遵循兩個重拍序規則：

1.在構造函數內對一個final域的寫入，與隨后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。

2.初次讀一個包含final域的對象的應用，與隨后初次讀這個final域，這兩個操作之間不能重排序

下面通過一個示例來分別說明這兩個規則：

public classFinalTest {int i;//普通變量

final intj;staticFinalTest obj;publicFinalTest(){

i= 1;

j= 2;

}public static voidwriter(){

obj= newFinalTest();

}public static voidreader(){

FinalTest tets= obj;//讀對象引用

int a =tets.i;int b =tets.j;

}

}

這里假設一個線程A執行writer方法，隨后另一個線程B執行reader方法。我們通過這兩個線程的交互來說明這兩個規則。

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兩個方面：

1.JMM禁止編譯器把final域的寫重排序到構造函數之外

2.編譯器會在final域的寫入之后，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obj = newFinalTest();這行代碼包含兩個步驟：

1.構造一個FinalTest類型的對象

2.把這個對象的引用賦值給obj

假設線程B的讀對象引用與讀對象的成員域之間沒有重排序，下圖是一種可能的執行時序

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錯誤的讀取到了普通變量i初始化之前的值。而寫final域的操作被寫final域重排序的規則限定在了構造函數之內，讀線程B正確的讀取到了final變量初始化之后的值。

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域已經被初始化了，而普通變量不具有這個保證。以上圖為例，讀線程B看到對象obj的時候，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1還沒有寫入普通域i)

讀final域的重排序規則是：在一個線程中，初次讀對象的引用與初次讀這個對象包含的final域，JMM禁止重排序這兩個操作(該規則僅僅針對處理器)。編譯器會在讀final域的操作前面加一個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系。由于編譯器遵守間接依賴關系，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，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系的操作做重排序(比如alpha處理器)，這個規則就是專門用來針對這種處理器的。

上面的例子中，reader方法包含三個操作

1.初次讀引用變量obj

2.初次讀引用變量指向對象的普通域

3.初次讀引用變量指向對象的final域

現在假設寫線程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，下圖是一種可能的執行時序：

在上圖中，讀對象的普通域操作被處理器重排序到讀對象引用之前。在讀普通域時，該域還沒有被寫線程寫入，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”在讀對象引用之后，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，那么引用對象的final域一定已經被A線程初始化過了。

二.final域為引用類型

上述將的final域都是基本類型，如果final域是引用類型，會有什么效果呢？

public classFinalReferenceTest {final int[] arrs;//final引用

staticFinalReferenceTest obj;publicFinalReferenceTest(){

arrs= new int[1];//1

arrs[0] = 1;//2

}public static void write0(){//A線程

obj = new FinalReferenceTest();//3

}public static void write1(){//線程B

obj.arrs[0] = 2;//4

}public static void reader(){//C線程

if(obj!=null){//5

int temp =obj.arrs[0];//6

}

}

}

在上述的例子中，final域是一個引用類型，它引用了一個int類型的數組，對于引用類型，寫final域的重排序規則對編譯器和處理器增加了一下的約束：在構造函數內對一個final引用的對象的成員域的寫入，與隨后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。

本例中假設線程A先執行write0操作，執行完后線程B執行write1操作，執行完后線程C執行reader操作，下圖是一種可能的執行時序：

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可能看得到，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。

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所見，也就是對象引用不能在構造函數中“逸出”。

public classFinalReferenceEscapeExample {final inti;staticFinalReferenceEscapeExample obj;publicFinalReferenceEscapeExample () {

i= 1; //1寫final域

obj = this; //2 this引用在此"逸出"

}public static voidwriter() {newFinalReferenceEscapeExample ();

}public static voidreader() {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。這里的操作2使得對象還未完成構造前就為線程B可見。即使這里的操作2是構造函數的最后一步，且在程序中操作2排在操作1后面，執行read()方法的線程仍然可能無法看到final域被初始化后的值，因為這里的操作1和操作2之間可能被重排序。實際的執行時序可能如下：

從上圖可以看出：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final域可能還沒有初始化。。在構造函數返回后，任意線程都將保證能看到final域正確初始化之后的值。

三.final語義在處理器中的實現

現在我們以X86處理器為例，說明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編譯器在final域的寫之后，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。由于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，由于X86處理器不會對存在間接依賴關系的操作做重排序，所以在X86處理器中，讀final域需要的LoadLoad屏障也會被省略掉。也就是說，在X86處理器

中，final域的讀/寫不會插入任何內存屏障。

在舊的Java內存模型中，一個最嚴重的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型final域的值為0(還未初始化之前的默認值)，過一段時間之后這個線程再去讀這個final域的值時，卻發現值變為1(被某個線程初始化之后的值)。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final域在構造函數中被初始化之后的值。

總結

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