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Posted 2021-12-28 周杰伦本人

java内存模型之final域的内存语义

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。

public class FinalExample 
    int i; // 普通变量
    final int j; // final变量
    static FinalExample obj;

    public 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
    

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。

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。
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。

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，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。

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正确地读取了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1还没有写入普通域i）。

读final域的重排序规则

读final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。

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。

写final域的重排序规则会要求编译器在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。

final域为引用类型

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
        
    

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。

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。