Java并发编程之final域的内存语义

一.final域的重排序规则

　　对于final域，编译器和处理器要遵循两个重拍序规则：
　　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域的对象的应用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序

　　下面通过一个示例来分别说明这两个规则：

public class FinalTest {
    int i;//普通变量
    final int j;
    static FinalTest obj;

    public FinalTest(){
        i = 1;
        j = 2;
    }

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

    public static void reader(){
        FinalTest tets = obj;//读对象引用
        int a = tets.i;
        int b = tets.j;
    }
}

　　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。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两个方面：

　　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域的写入之后，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obj = new FinalTest();这行代码包含两个步骤：
　　　　1.构造一个FinalTest类型的对象

　　　　2.把这个对象的引用赋值给obj

　　假设线程B的读对象引用与读对象的成员域之间没有重排序，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错误的读取到了普通变量i初始化之前的值。而写final域的操作被写final域重排序的规则限定在了构造函数之内，读线程B正确的读取到了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域已经被初始化了，而普通变量不具有这个保证。以上图为例，读线程B看到对象obj的时候，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）

　　读final域的重排序规则是：在一个线程中，初次读对象的引用与初次读这个对象包含的final域，JMM禁止重排序这两个操作(该规则仅仅针对处理器)。编译器会在读final域的操作前面加一个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。

　　上面的例子中，reader方法包含三个操作

　　　　1.初次读引用变量obj

　　　　2.初次读引用变量指向对象的普通域

　　　　3.初次读引用变量指向对象的final域

　　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，下图是一种可能的执行时序：

　　

　　在上图中，读对象的普通域操作被处理器重排序到读对象引用之前。在读普通域时，该域还没有被写线程写入，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。

　　读final域的重排序规则可以确保：在读一个对象的final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。

二.final域为引用类型

　　上述将的final域都是基本类型，如果final域是引用类型，会有什么效果呢？

　　

public class FinalReferenceTest {

    final int[] arrs;//final引用

    static FinalReferenceTest obj;

    public FinalReferenceTest(){
        arrs = new int[1];//
        arrs[0] = 1;//
    }

    public static void write0(){//A线程
        obj = new FinalReferenceTest();//
    }

    public static void write1(){//线程B
        obj.arrs[0] = 2;//
    }

    public static void reader(){//C线程
        if(obj!=null){//
            int temp =obj.arrs[0];//
        }
    }
}

　　在上述的例子中，final域是一个引用类型，它引用了一个int类型的数组，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一下的约束：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的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。

　　本例中假设线程A先执行write0操作，执行完后线程B执行write1操作，执行完后线程C执行reader操作，下图是一种可能的执行时序：
　　

　　上图中：，1是对final域的写入，2是对这个final域引用的对象的成员域的写入，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入。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的写入对读线程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。

　　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”。

　　

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

　　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read()方法的线程仍然可能无法看到final域被初始化后的值，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：

　　

　　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可见。因为此时final域可能还没有初始化。。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。

三.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障屏会被省略掉。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/写不会插入任何内存屏障。

　　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volatile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。