Java并发编程系列4 - final
主要讲解final的内存语义和使用方式。
前言
看这篇文章前，建议先看完《Java并发编程系列1-基础知识》，因为相关知识有很强的依赖，这篇文章也是Java内存模型JMM相关文章的最后一篇。
final禁止指令重排分析
该部分内容基本摘抄自《深入理解Java内存模型》，仅加入自己的总结，更详细讲解可以直接参考此书。
对final域的读和写更像是普通的变量访问，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。 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，注意两者的调用先后关系！
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：
构造一个FinalExample类型的对象； 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）。
总结一下：也就是对象初始化final变量和普通变量，然后将初始化的对象引用赋值给其它变量前，final变量可以保证已经被初始化，但是普通变量不能保证，可能会导致读取的普通变量是一个空值，或者说是未初始化的值，导致异常。
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：
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。
总结一下：在读一个对象的final变量之前，一定会先读包含这个final域的对象的引用，所以不用担心读到对象的final变量，会因为重排除导致读到的是一个未初始化的值，但是对象的普通变量就不能这样保证。
对读和写finlal域，整体总结一下：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。
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
}
}
}
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。
总结一下：如果final域为引用类型，这个其实和非引用类型禁止重排序的规则基本一样。上面的示例，writerTwo()和reader()同时对一个数据进行操作，存在竞争关系，也很好理解，我换一个非引用类型，也一样存在并发，解决方案就是加锁。
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。
上面都是八股文，也很少会遇到上述使用场景，个人也仅作兴趣了解，避免踩坑，下面总结一下final的常用用法。
final关键字有几种用法
修饰普通变量
注意点：
用final关键字修饰的变量，只能进行一次赋值操作，并且在生存期内不可以改变它的值。final修饰的变量可以先声明，后赋值。
修饰成员变量
注意点：
必须初始化值。 被final修饰的成员变量赋值，有两种方式：1、直接赋值 2、全部在构造方法中赋初值。 如果修饰的成员变量是基本类型，则表示这个变量的值不能改变。 如果修饰的成员变量是一个引用类型，则是说这个引用的地址的值不能修改，但是这个引用所指向的对象里面的内容还是可以改变的。
public class Test {
final int age = 18;
final String name;
final String[] hobby;
public Test() {
this.name = "lvmenglou"; // 正确使用
//this.age = 20; // 错误使用
this.hobby = new String[4]; // 正确使用
this.hobby[0] = "movie"; // 正确使用
this.hobby[1] = "sing song"; // 正确使用
}
}
修饰方法
注意点：
被final修饰的方法不能被重写。 一个类的private方法会隐式的被指定为final方法。 如果父类中有final修饰的方法，那么子类不能去重写。
修饰类
注意点：
用final去修饰一个类的时候，表示这个类不能被继承； final类中的成员方法都会被隐式的指定为final方法； 被final修饰的类，final类中的成员变量可以根据自己的实际需要设计为final。
在自己设计一个类的时候，要想好这个类将来是否会被继承，如果可以被继承，则该类不能使用final修饰，在这里呢，一般来说工具类我们往往都会设计成为一个final类。在JDK中，被设计为final类的有String、System等。
final和static
很多时候会容易把static和final关键字混淆，static作用于成员变量用来表示只保存一份副本，而final的作用是用来保证变量不可变。看下面这个例子：
class MyClass {
public final double i = Math.random();
public static double j = Math.random();
}
public class Test2 {
public static void main(String[] args) {
MyClass myClass1 = new MyClass();
MyClass myClass2 = new MyClass();
System.out.println(myClass1.i);
System.out.println(myClass1.j);
System.out.println(myClass2.i);
System.out.println(myClass2.j);
}
}
// 输出：
// 0.6885279073145978
// 0.7678464493258529
// 0.5645174724833194
// 0.7678464493258529
运行这段代码就会发现，每次打印的两个j值都是一样的，而i的值却是不同的。从这里就可以知道final和static变量的区别了。
总结
本章详细讲解了final的内存语义和使用方式，内存语义主要是涉及到并发编程相关的知识，仅供了解即可。其实我们最终还是需要注重final的使用方式，分别从变量、方法、类，对齐进行讲解，这块知识很简单，主要是做个记录，最后是final和static，也是网上看到的示例，也只做个简单的记录。
这些内容，其实是根据《深入理解Java内存模型》，然后结合网上的资料，做了相关整理和总结，其实都属于Java内存模型方面的内容，通过这4篇文章，大家对Java内存模型应该会有整体的了解，后面才真正讲解并发编程相关的知识。
参考资料：《深入理解Java内存模型》 《Java并发编程实战》
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