【Java】final 域的内存语义
文章来源：《Java并发编程的艺术》
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；
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。
下面通过一些实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 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
}
}
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，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（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。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 1 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。但是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。
read() 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，下图所示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。在这个实例程序中，如果该引用不为 null，那么该引用对象的 final 域一定已经被 A 线程初始化过了。
final 域为引用类型
上面我们看到的 final 域是基础数据类型，如果 final 域是引用数据类型，将会有什么效果？请看下面示例代码。
public class FinalRefrenceExample {
final int[] intArray; // final 是引用类型
static FinalReferencExample obj;
public FinalReferenceExample() { // 构造函数
intArray = new int[1]; // 1
intArray[0] = 1; // 2
}
public static void writeOne() { // 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
}
}
}
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。
为什么 final 引用不能从构造函数中逸出
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，不能让这个被构造函数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”。为了说明这个问题，让我们来看下面的示例代码：
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：
在上图中：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。
JSR-133 为什么要增强 final 语义
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 的值可能会发生改变。
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后的值。
