從菜鳥程序員到高級架構師,竟然是因為這個字final
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:
- 構造一個 FinalExample 類型的對象;
- 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:
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:
- 初次讀引用變量 obj;
- 初次讀引用變量 obj 指向對象的普通域 j。
- 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
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:
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:
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。
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