Java内存模型之final的内存语义和happens-before
一、final域的内存语义
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。(即对构造函数的写入要在这个对象被其他线程看到之后)
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。
public class FinalExample {
int i; // 普通变量
final int j; // final变量
static FinalExample obj;
public 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
}
}假设线程A执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法。
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。
2）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=newFinalExample()。这行代码包含两个步骤，如下：
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，下图是一种可能的执行时序。在图中，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。如下图，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）。
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。
4 final域为引用类型
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，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，防止指令重排）来确保内存可见性。
5 为什么final引用不能从构造函数内“溢出”
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”。
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图：
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。
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。
二、happens-before
1 JMM的设计
JMM把happens-before要求禁止的重排序分为了下面两类:会改变程序执行结果的重排序和不会改变程序执行结果的重排序。
JMM对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略：
-
对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。
-
对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不做要求（JMM允许这种重排序）。
JMM其实是在遵循一个基本原则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。例如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个锁只会被单个线程访问，那么这个锁可以被消除。再如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个volatile变量只会被单个线程访问，那么编译器可以把这个volatile变量当作一个普通变量来对待。这些优化既不会改变程序的执行结果，又能提高程序的执行效率。
2 happens-before的定义
happens-before关系的定义如下：
1）如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。
2）两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法（也就是说，JMM允许这种重排序）。
as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。
as-if-serial语义给编写单线程程序的程序员创造了一个幻境：单线程程序是按程序的顺序来执行的。happens-before关系给编写正确同步的多线程程序的程序员创造了一个幻境：正确同步的多线程程序是按happens-before指定的顺序来执行的。
3 happens-before规则
1）程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。(单线程)
2）监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
3）volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
4）传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
5）start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
6）join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
PS:线程的join方法的意思是使得放弃当前线程的执行，并返回对应的线程，比如t1.join()表示停止当前的线程，并返回t1线程，即执行t1线程。
下面就来看看几个规则。
1.volatile变量规则：
如上图，由于程序顺序规则，即一个线程里面语句的执行是按照程序的先后顺序执行的，所以1 happens-before 2和3 happens-before 4，然后又由于volatile变量规则，即一个volatile变量的写要在volatile变量的读之前，所以2 happens-before 3 ，又由于传递性，所以1 happens-before 4。这里的传递性是由volatile的内存屏障插入策略和volatile的编译器重排序规则共同来保证的。
2.start()规则
假设线程A在执行的过程中，通过执行ThreadB.start()来启动线程B；同时，假设线程A在执行ThreadB.start()之前修改了一些共享变量，线程B在开始执行后会读这些共享变量。如下图：
如上图，同理，1 happens-before 2和3 happens-before 4，2 happens-before 4由start()规则产生。根据传递性，将有1 happens-before 4。这实意味着，线程A在执行ThreadB.start()之前对共享变量所做的修改，接下来在线程B开始执行后都将确保对线程B可见。
3.join()规则：
假设线程A在执行的过程中，通过执行ThreadB.join()来等待线程B终止；同时，假设线程B在终止之前修改了一些共享变量，线程A从ThreadB.join()返回后会读这些共享变量。
如上图，由于join原则，2 happens-before 4，4 happens-before 5，所以2 happens-before 5，即线程B的所有操作都会被线程A所见。
参照：《Java并发编程的艺术》
