深入理解final关键字

Java中的final关键字非常重要，它可以应用于类、方法以及变量。这篇文章中我将带你看看什么是final关键字？将变量，方法和类声明为final代表了什么？使用final的好处是什么？最后也有一些使用final关键字的实例。final经常和static一起使用来声明常量，你也会看到final是如何改善应用性能的。

final关键字的含义?

final在Java中是一个保留的关键字，可以声明成员变量、方法、类以及本地变量。一旦你将引用声明作final，你将不能改变这个引用了，编译器会检查代码，如果你试图将变量再次初始化的话，编译器会报编译错误。

什么是final变量？

凡是对成员变量或者本地变量(在方法中的或者代码块中的变量称为本地变量)声明为final的都叫作final变量。final变量经常和static关键字一起使用，作为常量。下面是final变量的例子：

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publicstatic final String LOAN = "loan";
LOAN = newString("loan")//invalid compilation error

final变量是只读的。

什么是final方法?

final也可以声明方法。方法前面加上final关键字，代表这个方法不可以被子类的方法重写。如果你认为一个方法的功能已经足够完整了，子类中不需要改变的话，你可以声明此方法为final。final方法比非final方法要快，因为在编译的时候已经静态绑定了，不需要在运行时再动态绑定。下面是final方法的例子：

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classPersonalLoan{
    publicfinal String getName(){
        return"personal loan";
    }
}
 
classCheapPersonalLoan extendsPersonalLoan{
    @Override
    publicfinal String getName(){
        return"cheap personal loan";//compilation error: overridden method is final
    }
}

什么是final类？

使用final来修饰的类叫作final类。final类通常功能是完整的，它们不能被继承。Java中有许多类是final的，譬如String, Interger以及其他包装类。下面是final类的实例：

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    finalclass PersonalLoan{
 
    }
 
    classCheapPersonalLoan extendsPersonalLoan{  //compilation error: cannot inherit from final class
 
}

final关键字的好处

下面总结了一些使用final关键字的好处

  1. final关键字提高了性能。JVM和Java应用都会缓存final变量。
  2. final变量可以安全的在多线程环境下进行共享，而不需要额外的同步开销。
  3. 使用final关键字，JVM会对方法、变量及类进行优化。

不可变类

创建不可变类要使用final关键字。不可变类是指它的对象一旦被创建了就不能被更改了。String是不可变类的代表。不可变类有很多好处，譬如它们的对象是只读的，可以在多线程环境下安全的共享，不用额外的同步开销等等。

相关阅读：为什么String是不可变的以及如何写一个不可变类。

关于final的重要知识点

  1. final关键字可以用于成员变量、本地变量、方法以及类。
  2. final成员变量必须在声明的时候初始化或者在构造器中初始化，否则就会报编译错误。
  3. 你不能够对final变量再次赋值。
  4. 本地变量必须在声明时赋值。
  5. 在匿名类中所有变量都必须是final变量。
  6. final方法不能被重写。
  7. final类不能被继承。
  8. final关键字不同于finally关键字，后者用于异常处理。
  9. final关键字容易与finalize()方法搞混，后者是在Object类中定义的方法，是在垃圾回收之前被JVM调用的方法。
  10. 接口中声明的所有变量本身是final的。
  11. final和abstract这两个关键字是反相关的，final类就不可能是abstract的。
  12. final方法在编译阶段绑定，称为静态绑定(static binding)。
  13. 没有在声明时初始化final变量的称为空白final变量(blank final variable)，它们必须在构造器中初始化，或者调用this()初始化。不这么做的话，编译器会报错“final变量(变量名)需要进行初始化”。
  14. 将类、方法、变量声明为final能够提高性能，这样JVM就有机会进行估计，然后优化。
  15. 按照Java代码惯例，final变量就是常量，而且通常常量名要大写：
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privatefinal int COUNT = 10;
  1. 对于集合对象声明为final指的是引用不能被更改，但是你可以向其中增加，删除或者改变内容。譬如：
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privatefinal List Loans = newArrayList();
list.add(“home loan”);  //valid
list.add("personal loan");//valid
loans = newVector();  //not valid

我们已经知道final变量、final方法以及final类是什么了。必要的时候使用final，能写出更快、更好的代码的。

原文链接： Javarevisited 翻译： ImportNew.com - 唐小娟

译文链接： http://www.importnew.com/7553.html


深入理解Java内存模型——final


与前面介绍的锁和volatile相比较，对final域的读和写更像是普通的变量访问。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，我们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;                            //普通变量
    final int j;                      //final变量
    static FinalExample obj;

    public void FinalExample () {     //构造函数
        i = 1;                        //写普通域
        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reader ()方法。下面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

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：

  • JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外。
  • 编译器会在final域的写之后，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：finalExample = new FinalExample ()。这行代码包含两个步骤：

  1. 构造一个FinalExample类型的对象；
  2. 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正确的读取了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2还没有写入普通域i）。

读final域的重排序规则

读final域的重排序规则如下：

  • 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，大多数处理器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。

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obj指向对象的普通域j。
  3. 初次读引用变量obj指向对象的final域i。

现在我们假设写线程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，下面是一种可能的执行时序：

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。

如果final域是引用类型

上面我们看到的final域是基础数据类型，下面让我们看看如果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 () {          //写线程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
    }
}
}

这里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：

  1. 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。

对上面的示例程序，我们假设首先线程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。下面是一种可能的线程执行时序：

在上图中，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可能看的到，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。

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可见，也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。为了说明问题，让我们来看下面示例代码：

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) {                     //3
        int temp = obj.i;                 //4
    }
}
}

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，且即使在程序中操作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图所示：

从上图我们可以看出：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。

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译编器在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！

JSR-133为什么要增强final的语义

在旧的Java内存模型中 ，最严重的一个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形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，却发现值变为了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（参考文献2中有一个具体的例子，感兴趣的读者可以自行参考，这里就不赘述了）。

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。

参考文献

  1.  Java Concurrency in Practice

  2.  JSR 133 (Java Memory Model) FAQ

  3.  Java Concurrency in Practice

  4.  The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

Intel® 64 and IA-32 ArchitecturesvSoftware Developer’s Manual Volume 3A: System Programming Guide, Part 1

关于作者

程晓明，Java软件工程师，国家认证的系统分析师、信息项目管理师


posted @ 2016-12-01 10:13  伴我前行  阅读(182)  评论(0)  编辑  收藏  举报