深入理解 Java final 变量的内存模型

原文出处： 任春晓

对于 final 域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：

• 在构造函数内对一个 final 域的写，与随后把这个构造对象的引用赋值给一个变量，这两个操作之间不能重排序
• 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

举个例子：

public class FinalExample {      int i;// 普通变量      final int j;// final 变量      static FinalExample obj;        public FinalExample() {          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;          int a = object.i;          int b = object.j;      }  }

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。

写 final 域的重排序规则

在写 final 域的时候有两个规则：

• 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。

分析上面的代码。

write 方法，只包含一行obj = new FinalExample();，但是包含两个步骤：

• 构造一个 FinalExample 对象
• 把对象的引用赋值给 obj

假设线程 B 当中读 obj 与读成员域之间没有重排序。那么执行时序可能如下：

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。

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。

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，那么执行时序可能是：

上面的图可以看到对普通变量 i 的读取重排序到了读对象引用之前，在读普通域时候，该域还没被写线程 A 写入，这是一个错误的读取操作。而读 final 域已经被 A 线程初始化了，这个读取操作是正确的。

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

如果 final 域是引用类型，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。

如下代码例子：

public class FinalReferenceExample {      final int[] intArray;      static FinalReferenceExample obj;        public FinalReferenceExample() {          intArray = new int[1];// 1          intArray[0] = 1;// 2      }        public static void writerOne() {// A线程执行          obj = new FinalReferenceExample(); // 3      }        public static void reader() {// 写线程 B 执行          if (obj != null) { // 4              int temp1 = obj.intArray[0]; // 5          }      }  }

假设首先线程 A 执行 writerOne()方法,执行完后线程 B 执行reader 方法，JMM 可以确保读线程 B 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。

避免对象引用在构造函数当中溢出

代码如下：

public class FinalReferenceEscapeExample {      final int i;      static FinalReferenceEscapeExample obj;        public FinalReferenceEscapeExample() {          i = 1;// 1          obj = this;// 2 避免怎么做！！！      }        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。

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。

【参考资料】

深入理解java内存模型