面了一个23岁的学妹,把final关键字讲的那叫一个通透
作者:沉默王二
Java程序员进阶之路:https://tobebetterjavaer.com
大家好,我是二哥呀,今天继续我们的《教妹学Java:final 关键字》,上次用这个标题发的 synchronized 关键字阅读不错,这次再用一次。
推荐大家关注二哥新组建的三剑客团队之一,楼仔,非常 nice 的一个小伙伴,和二哥同龄,一直在大厂,也是二哥编程星球的嘉宾之一。
我们接下来会干一件大事,可以先提前给大家透露一点点,看下面这幅设计图,大家可以猜猜我们会干什么。
好了,接下来开始正文。
二哥:“三妹,以前都是我讲你听,今天我们换个形式,假装我是面试官,你来讲讲 final 关键字的内存语义和使用方式吧。”
三妹(颜值在线,气质也在线):“我们这是要互换角色吗?哈哈哈哈。”
前言
“好吧,来吧。”三妹一点也不怯场。
建议大家先看前面的文章《Java 并发编程系列 1-基础知识》,特别是并发编程相关的可见性、有序性,以及内存模型 JMM 等。
final 禁止指令重排分析
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)。
“二哥,你作为面试官,来总结一下吧。”三妹竟然还知道让我回到故事的角色中,哈哈哈。
“好啊。”我歪了一下脖子继续说,“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。
“二哥,你再来总结下。”三妹看着快睡着的我,不耐烦的讲。
“哦哦哦,”我擦了擦嘴角边的哈喇子,总结道,“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。”
“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。”我继续补充说。
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。
“二哥,该你上了。”这次三妹都懒得正眼瞧我了。
我像一个机器人一样,机械地说,“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。
“三妹,你讲的真不错,把面试中会被问到的点都讲透彻了。”我说,“接下来,让我们来看看 final 的常用方式。”
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。
“三妹,你知道 JDK 中被设计为 final 类的,都有哪些吗?”我瞅准时机就给三妹抛出了一个问题。
“不就 String、System 嘛。。。。这有啥难的。”三妹傲娇的说。
final 和 static
“三妹,你真棒👍。”我对三妹的表现非常满意,“接下来,我们来聊聊 final 和 static 的关系。”
很多时候,初学者容易把 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。
ending
“三妹,今天就学到这吧。”我扶了扶眼镜对三妹说。
final 的内存语义涉及到了并发编程相关的知识,了解即可。重心还是要放在 final 关键字的使用方式上,包括变量、方法和类。
----我是一条分割线(沉默王二是傻 x)
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没有什么使我停留——除了目的,纵然岸旁有玫瑰、有绿荫、有宁静的港湾,我是不系之舟。
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