final域内存语义

川聊架构 2021-11-26

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- 写final域重排序规则 -

对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序的规则：

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

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屏蔽。这个屏蔽禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。

先看一段代码在分析：

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(){ // 写操作（线程A）
    obj = new FinalExample();
  }
  public static void reader(){ // 读操作（线程B）
    FinalExample object = obj; // 读对象引用
    int a = object.i; // 读普通域
    int b = object.j; // 读final 域
  }
}

比如 writer()里obj = new FinalExample(); 包含两个步骤：

构建一个FinalExample类型的对象;
把这个对象的引用赋值给引用变量obj。

这时写普通域操作被编译器排序到构造器之外：

线程A写final域的操作，被写final的重排序规则“限定”在构造函数之内，读线程B正确读取了final变量初始化之后的值
写final域的重排序规则可以确保，在对象引用未任意线程可见之前，对象final域已经正确初始化了。而普通域不具有这个保障

- 读final域重排序规则 -

读final域的重排序，在一个线程中，初次读对象引用与初次读对象包含final域， JMM禁止处理器重排序这两个操作（这个规则仅仅针对处理器）。编译器会在读final操作前面插入一个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，但少数处理器允许存在间接依赖关系的操作做重排序（alpha处理器），这个规则专门用来针对这种处理器。

reader()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;

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，该域还没被写线程写入，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，此时刻final域已经被现场初始化过，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域的对象引用。

- final 域为引用类型 -

对于应用类型，写final域重排序规则对编译器和处理器增加约束：

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。

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];
    intArray[0] = 1;
  }
  public static void writeOne(){ // 写线程A执行
    obj = new FinalReferenceExample（）;
  }
  public static void writeTwo(){ // 写线程B执行
    obj.intArray[0] = 2;
  }
  public static void reader(){ // 读线程C执行
    if（obj != null）{
      int temp1 = obj.intArray[0];
    }
  }
}

前提

假设线程A先执行writeOne() ,执行完后线程B执行writeTwo() 或线程C执行reader() ：

final域写入 intArray = new int[1];
对final域引用的对象的成员域的写入intArray[0] = 1;
被构造的对象的引用赋值给某个引用变量 obj = new FinalReferenceExample（）;

结论：1,3 不能重排序， 2,3 不能重排序

说明

线程B和线程C是竞争关系。JMM可以确保线程C至少能看到线程A在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. 线程B对数据的写入，线程C 可能看到也可能看不到。JMM不保证线程B的写入对线程C可见，因为写线程B和读线程C之间存在数据竞争。

如果想确保线程C看到些线程对数据元素的写入，线程B和线程C之间需要使用同步原语（lock或volatile）来确保内存可见性。

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）{
      int temp = obj.i;
    }
  }
}

说明：

线程A执行writer()方法，线程B执行reader方法。这里的操作2 （this引用在此”逸出”）使得对象还未完成构造前线程B可见，无法看到final域被初始化后的值。因为这里的操作1 （i=1）和操作2（obj = this）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，任意线程都将保证看到final域正确初始化之后的值。

final语义在处理器中实现

X86处理器不会对写-写操作做重排序，在X86处理器中，写final域需要的storestore屏障被省略掉。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。

end: 在X86处理器中 final域的读/写不会插入任何内存屏障

- 作者介绍 -

若水
架构师一枚，现就职于小米小爱开放平台，一个才貌双全的美女码农，平常喜欢总结知识和刷算法题，经常参加LeetCode算法周赛。

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