Java 中 final 内存语义

Wesley13
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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。
下面通过一些示例性的代码来分别说明这两个规则。 

Java 中 final 内存语义

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。
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),图3-29是一种可能的执行时序。在下图中,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)。 

Java 中 final 内存语义

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。
reader()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。 

Java 中 final 内存语义

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。 

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上面我们看到的final域是基础数据类型,如果final域是引用类型,将会有什么效果?请看下列示例代码。 

Java 中 final 内存语义

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。下图中是一种可能的线程执行时序。
在图中,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。 

Java 中 final 内存语义

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所见,也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。为了说明问题,让我们来看下面的示例代码。

Java 中 final 内存语义

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图所示。

Java 中 final 内存语义

从图中可以看出: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的语义

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之后的值。 

参考:

《Java 并发编程的艺术》

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