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《Java并发编程的艺术》一一3.6 f?inal域的内存语义

简介:

本节书摘来华章计算机出版社《Java并发编程的艺术》一书中的第3章,第3.6节,作者:方腾飞 魏鹏 程晓明 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.6 f?inal域的内存语义

与前面介绍的锁和volatile相比,对f?inal域的读和写更像是普通的变量访问。下面将介绍f?inal域的内存语义。
3.6.1 f?inal域的重排序规则
对于f?inal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f?inal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f?inal域的对象的引用,与随后初次读这个f?inal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。

public class FinalExample {
    int i;                    // 普通变量
    f?inal int j;                // f?inal变量
    static FinalExample obj;

    public FinalExample () {        // 构造函数
        i = 1;                // 写普通域
        j = 2;                // 写f?inal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f?inal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。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。
3.6.2 写f?inal域的重排序规则
写f?inal域的重排序规则禁止把f?inal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f?inal域的写重排序到构造函数之外。
2)编译器会在f?inal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f?inal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:f?inalExample = 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。
在图3-29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f?inal域的操作,被写f?inal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f?inal变量初始化之后的值。
写f?inal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f?inal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)。
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图3-29 线程执行时序图
3.6.3 读f?inal域的重排序规则
读f?inal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f?inal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f?inal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f?inal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f?inal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,图3-30所示是一种可能的执行时序。
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图3-30 线程执行时序图
在图3-30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f?inal域的重排序规则会把读对象f?inal域的操作“限定”在读对象引用之后,此时该f?inal域已经被A线程初始化过了,这是一个正确的读取操作。
读f?inal域的重排序规则可以确保:在读一个对象的f?inal域之前,一定会先读包含这个f?inal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f?inal域一定已经被A线程初始化过了。
3.6.4 f?inal域为引用类型
上面我们看到的f?inal域是基础数据类型,如果f?inal域是引用类型,将会有什么效果?请看下列示例代码。

public class FinalReferenceExample {
    f?inal int[] intArray;                // f?inal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
        }
    }
}

本例f?inal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f?inal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f?inal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。图3-31是一种可能的线程执行时序。
在图3-31中,1是对f?inal域的写入,2是对这个f?inal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f?inal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。
3.6.5 为什么f?inal引用不能从构造函数内“溢出”
前面我们提到过,写f?inal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f?inal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。

public class FinalReferenceEscapeExample {
    f?inal int i;
    static FinalReferenceEscapeExample obj;

    public FinalReferenceEscapeExample () {
        i = 1;                // 1写f?inal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
        }
    }
}

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图3-31 引用型f?inal的执行时序图
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f?inal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3-32所示。
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图3-32 多线程执行时序图
从图3-32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f?inal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f?inal域正确初始化之后的值。
3.6.6 f?inal语义在处理器中的实现
现在我们以X86处理器为例,说明f?inal语义在处理器中的具体实现。
上面我们提到,写f?inal域的重排序规则会要求编译器在f?inal域的写之后,构造函数return之前插入一个StoreStore障屏。读f?inal域的重排序规则要求编译器在读f?inal域的操作前面插入一个LoadLoad屏障。
由于X86处理器不会对写-写操作做重排序,所以在X86处理器中,写f?inal域需要的StoreStore障屏会被省略掉。同样,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f?inal域需要的LoadLoad屏障也会被省略掉。也就是说,在X86处理器中,f?inal域的读/写不会插入任何内存屏障!
3.6.7 JSR-133为什么要增强f?inal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f?inal域的值会改变。比如,一个线程当前看到一个整型f?inal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f?inal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f?inal的语义。通过为f?inal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f?inal域在构造函数中被初始化之后的值。

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