【JVM】JVM系列之内存模型（六）（3）

七、final

　　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。

　　如下面示例展示了final两种重排序规则。

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public final class FinalExample {
    final int i;
    public FinalExample() {
        i = 3; // 1
    }
    public static void main(String[] args) {
        FinalExample fe = new FinalExample(); // 2
        int ele = fe.i; // 3
    }
}

说明： 操作1与操作2符合重排序规则1，不能重排，操作2与操作3符合重排序规则2，不能重排。　　

　　由下面的示例我们来具体理解final域的重排序规则。

public class FinalExample {
    int i; // 普通变量
    final int j; // final变量
    static FinalExample obj; // 静态变量
    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
    }
}

说明：假设线程A先执行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。

　　7.1 写final域重排序规则

　　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 现包含下面两个方面：

　　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。

　　writer方法的obj = newFinalExample();其实包括两步，首先是在堆上分配一块内存空间简历FinalExample对象，然后将这个对象的地址赋值给obj引用。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，则可能的时序图如下

　　说明：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）。

　　7.2 读final域重排序规则

　　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。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，大多数处理器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。

　　reader方法包含三个操作：① 初次读引用变量 obj。② 初次读引用变量 obj 指向对象的普通域 i。③ 初次读引用变量 obj 指向对象的 final 域 j。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：

说明：reader操作中1、2操作重排了，即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。

　　7.3 final域是引用类型

　　上面我们的例子中，final域是基本数据类型，如果final与为引用类型的话情况会稍微不同。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

　　1. 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 
        int Array = new int[1]; // 1
        int    Array[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
        }
    }
}

说明：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。下面是一种可能的线程执行时序：

说明：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。

　　7.4 final逸出

　　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”。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
        }
    }
}

说明：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：

说明：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。

八、JMM总结

　　顺序一致性内存模型是一个理论参考模型，JMM 和处理器内存模型在设计时通常 会把顺序一致性内存模型作为参照。JMM和处理器内存模型在设计时会对顺序一 致性模型做一些放松，因为如果完全按照顺序一致性模型来实现处理器和 JMM， 那么很多的处理器和编译器优化都要被禁止，这对执行性能将会有很大的影响。

　　8.1 JMM的happens- before规则

　　JMM 的happens - before规则要求禁止的重排序分为了下面两类：

　　1. 会改变程序执行结果的重排序。

　　2. 不会改变程序执行结果的重排序。

　　JMM 对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略：

　　1. 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM 要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。

　　2. 对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM 对编译器和处理器不作要求（JMM 允许这种重排序）

　　JMM的happens - before设计示意图如下

说明：从上图可知

　　1. JMM 向程序员提供的 happens- before 规则能满足程序员的需求。JMM 的 happens- before 规则不但简单易懂，而且也向程序员提供了足够强的内存可 见性保证（有些内存可见性保证其实并不一定真实存在，比如上面的 A happens- before B）。

　　2. JMM 对编译器和处理器的束缚已经尽可能的少。从上面的分析我们可以看出， JMM 其实是在遵循一个基本原则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程 程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。比如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个锁只会被单个线程访问，那么这个锁可以被消除。再比如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个 volatile 变量仅仅只会被单个线程访问，那么编译器可以把这个 volatile 变量当作一个普通变量来对待。这些优化既不会改变程序的执行结果，又能提高程序的执行效率。

　　8.2 JMM的内存可见性

　　Java 程序的内存可见性保证按程序类型可以分为下列三类：

　　1. 单线程程序。单线程程序不会出现内存可见性问题。编译器，runtime 和处理器会共同确保单线程程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果相同。

　　2. 正确同步的多线程程序。正确同步的多线程程序的执行将具有顺序一致性（程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同）。这是 JMM 关注的重点，JMM 通过限制编译器和处理器的重排序来为程序员提供内存可见性保证。

　　3. 未同步/未正确同步的多线程程序。JMM 为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值（0，null， false）。

　　这三类程序在 JMM 中与在顺序一致性内存模型中的执行结果的异同如下

九、总结

　　这一篇的完结也意味着看完了整个JVM，明白了很多JVM底层的知识，读完后感觉受益匪浅，整个学习笔记有点厚，方便自己以后再精读。还有一个很深的感触就是，只有记下来的知识才是自己的，养成记录的好习惯，一步步变成高手。谢谢各位园友的观看~