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Java并发指南(5):JMM中的final关键字解析

Java技术 winrains 来源:javadoop 12个月前 (11-10) 48次浏览

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为了更好地总结和检验你的学习成果,本系列文章也会提供一些对应的面试题以及参考答案。
如果对本系列文章有什么建议,或者是有什么疑问的话,也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者,欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

前言

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

作者:javadoop

来源:https://github.com/h2pl/Java-Tutorial/blob/master/docs/java/currency/Java%E5%B9%B6%E5%8F%91%E6%8C%87%E5%8D%975%EF%BC%9AJMM%E4%B8%AD%E7%9A%84final%E5%85%B3%E9%94%AE%E5%AD%97%E8%A7%A3%E6%9E%90.md


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