Java并发（十九）：final实现原理

final在Java中是一个保留的关键字，可以声明成员变量、方法、类以及本地变量。

一旦你将引用声明作final，你将不能改变这个引用了，编译器会检查代码，如果你试图将变量再次初始化的话，编译器会报编译错误。

一、final变量

　　final成员变量表示常量，只能被赋值一次，赋值后值不再改变（final要求地址值不能改变）

　　当final修饰一个基本数据类型时，表示该基本数据类型的值一旦在初始化后便不能发生变化；如果final修饰一个引用类型时，则在对其初始化之后便不能再让其指向其他对象了，但该引用所指向的对象的内容是可以发生变化的。本质上是一回事，因为引用的值是一个地址，final要求值，即地址的值不发生变化。

　　final修饰一个成员变量（属性），必须要显示初始化。这里有两种初始化方式，一种是在变量声明的时候初始化；第二种方法是在声明变量的时候不赋初值，但是要在这个变量所在的类的所有的构造函数中对这个变量赋初值。

二、final方法

使用final方法的原因有两个。

第一个原因是把方法锁定，以防任何继承类修改它的含义，不能被重写；

第二个原因是效率，final方法比非final方法要快，因为在编译的时候已经静态绑定了，不需要在运行时再动态绑定。

（注：类的private方法会隐式地被指定为final方法）

三、final类

当用final修饰一个类时，表明这个类不能被继承。

final类中的成员变量可以根据需要设为final，但是要注意final类中的所有成员方法都会被隐式地指定为final方法。

在使用final修饰类的时候，要注意谨慎选择，除非这个类真的在以后不会用来继承或者出于安全的考虑，尽量不要将类设计为final类。

四、final使用总结

final关键字的好处：

（1）final关键字提高了性能。JVM和Java应用都会缓存final变量。

（2）final变量可以安全的在多线程环境下进行共享，而不需要额外的同步开销。

（3）使用final关键字，JVM会对方法、变量及类进行优化。

关于final的重要知识点

1. final关键字可以用于成员变量、本地变量、方法以及类。
2. final成员变量必须在声明的时候初始化或者在构造器中初始化，否则就会报编译错误。
3. 你不能够对final变量再次赋值。
4. 本地变量必须在声明时赋值。
5. 在匿名类中所有变量都必须是final变量。
6. final方法不能被重写。
7. final类不能被继承。
8. final关键字不同于finally关键字，后者用于异常处理。
9. final关键字容易与finalize()方法搞混，后者是在Object类中定义的方法，是在垃圾回收之前被JVM调用的方法。
10. 接口中声明的所有变量本身是final的。
11. final和abstract这两个关键字是反相关的，final类就不可能是abstract的。
12. final方法在编译阶段绑定，称为静态绑定(static binding)。
13. 没有在声明时初始化final变量的称为空白final变量(blank final variable)，它们必须在构造器中初始化，或者调用this()初始化。不这么做的话，编译器会报错“final变量(变量名)需要进行初始化”。
14. 将类、方法、变量声明为final能够提高性能，这样JVM就有机会进行估计，然后优化。
15. 按照Java代码惯例，final变量就是常量，而且通常常量名要大写。
16. 对于集合对象声明为final指的是引用不能被更改，但是你可以向其中增加，删除或者改变内容。

五、final原理

最好先理解java内存模型 Java并发（二）：Java内存模型

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。

　　（先写入final变量，后调用该对象引用）

　　原因：编译器会在final域的写之后，插入一个StoreStore屏障

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。

　　（先读对象的引用，后读final变量）

　　编译器会在读final域操作的前面插入一个LoadLoad屏障 

示例1：

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         a=1或者a=0或者直接报错i没有初始化
        int b = object.j; // 读 final域      b=2
    }
}

第一种情况：写普通域的操作被编译器重排序到了构造函数之外

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。

第二种情况：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

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。

 

示例2：如果 final 域是引用类型

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。

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  temp1=1或者temp1=2，不可能等于0
        }
    }
}

 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。

 

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。

参考资料 / 相关推荐

深入理解 Java 内存模型（六）——final

深入理解Java中的final关键字

浅谈Java中的final关键字

Java并发（二）：Java内存模型