與前面介紹的鎖和 volatile 相比較,對 final 域的讀和寫更像是普通的變量訪問。對于final 域,編譯器和處理器要遵守兩個重排序規(guī)則:
下面,我們通過一些示例性的代碼來分別說明這兩個規(guī)則:
public class FinalExample {
int i; //普通變量
final int j; //final變量
static FinalExample obj;
public void FinalExample () { //構(gòu)造函數(shù)
i = 1; //寫普通域
j = 2; //寫final域
}
public static void writer () { //寫線程A執(zhí)行
obj = new FinalExample ();
}
public static void reader () { //讀線程B執(zhí)行
FinalExample object = obj; //讀對象引用
int a = object.i; //讀普通域
int b = object.j; //讀final域
}
}
這里假設(shè)一個線程 A 執(zhí)行 writer() 方法,隨后另一個線程 B 執(zhí)行 reader() 方法。下面我們通過這兩個線程的交互來說明這兩個規(guī)則。
寫 final 域的重排序規(guī)則禁止把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。這個規(guī)則的實現(xiàn)包含下面2個方面:
現(xiàn)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:
假設(shè)線程 B 讀對象引用與讀對象的成員域之間沒有重排序(馬上會說明為什么需要這個假設(shè)),下圖是一種可能的執(zhí)行時序:
http://wiki.jikexueyuan.com/project/java-memory-model/images/29.png" alt="" />
在上圖中,寫普通域的操作被編譯器重排序到了構(gòu)造函數(shù)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(guī)則“限定”在了構(gòu)造函數(shù)之內(nèi),讀線程 B 正確的讀取了 final 變量初始化之后的值。
寫 final 域的重排序規(guī)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(jīng)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(gòu)造完成(對普通域i的寫操作被重排序到構(gòu)造函數(shù)外,此時初始值2還沒有寫入普通域i)。
讀 final 域的重排序規(guī)則如下:
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(guān)系。由于編譯器遵守間接依賴關(guān)系,因此編譯器不會重排序這兩個操作。大多數(shù)處理器也會遵守間接依賴,大多數(shù)處理器也不會重排序這兩個操作。但有少數(shù)處理器允許對存在間接依賴關(guān)系的操作做重排序(比如 alpha 處理器),這個規(guī)則就是專門用來針對這種處理器。
reader() 方法包含三個操作:
現(xiàn)在我們假設(shè)寫線程 A 沒有發(fā)生任何重排序,同時程序在不遵守間接依賴的處理器上執(zhí)行,下面是一種可能的執(zhí)行時序:
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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(guī)則會把讀對象 final 域的操作“限定”在讀對象引用之后,此時該 final 域已經(jīng)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(guī)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,那么引用對象的 final 域一定已經(jīng)被 A 線程初始化過了。
上面我們看到的 final 域是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型,下面讓我們看看如果 final 域是引用類型,將會有什么效果?
請看下列示例代碼:
public class FinalReferenceExample {
final int[] intArray; //final是引用類型
static FinalReferenceExample obj;
public FinalReferenceExample () { //構(gòu)造函數(shù)
intArray = new int[1]; //1
intArray[0] = 1; //2
}
public static void writerOne () { //寫線程A執(zhí)行
obj = new FinalReferenceExample (); //3
}
public static void writerTwo () { //寫線程B執(zhí)行
obj.intArray[0] = 2; //4
}
public static void reader () { //讀線程C執(zhí)行
if (obj != null) { //5
int temp1 = obj.intArray[0]; //6
}
}
}
這里 final 域為一個引用類型,它引用一個 int 型的數(shù)組對象。對于引用類型,寫 final 域的重排序規(guī)則對編譯器和處理器增加了如下約束:
對上面的示例程序,我們假設(shè)首先線程 A 執(zhí)行 writerOne() 方法,執(zhí)行完后線程 B 執(zhí)行 writerTwo() 方法,執(zhí)行完后線程 C 執(zhí)行 reader() 方法。下面是一種可能的線程執(zhí)行時序:
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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(gòu)造的對象的引用賦值給某個引用變量。這里除了前面提到的1不能和3重排序外,2和3也不能重排序。
JMM 可以確保讀線程 C 至少能看到寫線程 A 在構(gòu)造函數(shù)中對 final 引用對象的成員域的寫入。即 C 至少能看到數(shù)組下標(biāo) 0 的值為 1。而寫線程 B 對數(shù)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(shù)據(jù)競爭,此時的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。
如果想要確保讀線程 C 看到寫線程 B 對數(shù)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(nèi)存可見性。
前面我們提到過,寫 final 域的重排序規(guī)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(jīng)在構(gòu)造函數(shù)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(gòu)造函數(shù)內(nèi)部,不能讓這個被構(gòu)造對象的引用為其他線程可見,也就是對象引用不能在構(gòu)造函數(shù)中“逸出”。為了說明問題,讓我們來看下面示例代碼:
public 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(shè)一個線程 A 執(zhí)行 writer() 方法,另一個線程 B 執(zhí)行 reader() 方法。這里的操作2使得對象還未完成構(gòu)造前就為線程 B 可見。即使這里的操作 2 是構(gòu)造函數(shù)的最后一步,且即使在程序中操作 2 排在操作 1 后面,執(zhí)行 read() 方法的線程仍然可能無法看到 final 域被初始化后的值,因為這里的操作 1 和操作 2 之間可能被重排序。實際的執(zhí)行時序可能如下圖所示:
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從上圖我們可以看出:在構(gòu)造函數(shù)返回前,被構(gòu)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(gòu)造函數(shù)返回后,任意線程都將保證能看到 final 域正確初始化之后的值。
現(xiàn)在我們以 x86 處理器為例,說明 final 語義在處理器中的具體實現(xiàn)。
上面我們提到,寫 final 域的重排序規(guī)則會要求譯編器在 final 域的寫之后,構(gòu)造函數(shù)return 之前,插入一個 StoreStore 障屏。讀 final 域的重排序規(guī)則要求編譯器在讀 final 域的操作前面插入一個 LoadLoad 屏障。
由于 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?xí)皇÷缘簟M瑯?,由?x86 處理器不會對存在間接依賴關(guān)系的操作做重排序,所以在 x86 處理器中,讀 final 域需要的 LoadLoad 屏障也會被省略掉。也就是說在 x86 處理器中,final 域的讀/寫不會插入任何內(nèi)存屏障!
在舊的 Java 內(nèi)存模型中 ,最嚴(yán)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(dāng)前看到一個整形 final 域的值為 0(還未初始化之前的默認(rèn)值),過一段時間之后這個線程再去讀這個 final 域的值時,卻發(fā)現(xiàn)值變?yōu)榱?1(被某個線程初始化之后的值)。最常見的例子就是在舊的 Java 內(nèi)存模型中,String 的值可能會改變(參考文獻(xiàn) 2 中有一個具體的例子,感興趣的讀者可以自行參考,這里就不贅述了)。
為了修補(bǔ)這個漏洞,JSR-133 專家組增強(qiáng)了 final 的語義。通過為 final 域增加寫和讀重排序規(guī)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(gòu)造的(被構(gòu)造對象的引用在構(gòu)造函數(shù)中沒有“逸出”),那么不需要使用同步(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(gòu)造函數(shù)中被初始化之后的值。