final实现原理

简介

final关键字，实际的含义就一句话，不可改变。什么是不可改变？就是初始化完成之后就不能再做任何的修改，修饰成员变量的时候，成员变量变成一个常数；修饰方法的时候，方法不允许被重写；修饰类的时候，类不允许被继承；修饰参数列表的时候，入参的对象也是不可以改变。这个就是不可变，无论是引用新的对象，重写还是继承，都是改变的方法，而final就是把这个变更的路给堵死

用法

final修饰变量

• final成员变量表示常量，只能被赋值一次，赋值后值不再改变（final要求地址值不能改变）
• 当final修饰一个基本数据类型时，表示该基本数据类型的值一旦在初始化后便不能发生变化；
• 如果final修饰一个引用类型时，则在对其初始化之后便不能再让其指向其他对象了，但该引用所指向的对象的内容是可以发生变化的。本质上是一回事，因为引用的值是一个地址，final要求值，即地址的值不发生变化。
• final修饰一个成员变量（属性），必须要显示初始化。这里有两种初始化方式。
  • 一种是在变量声明的时候初始化。
  • 第二种方法是在声明变量的时候不赋初值，但是要在这个变量所在的类的所有的构造函数中对这个变量赋初值。

final修饰方法

使用final方法的原因有两个。

• 第一个原因是把方法锁定，以防任何继承类修改它的含义，不能被重写；
• 第二个原因是效率，final方法比非final方法要快，因为在编译的时候已经静态绑定了，不需要在运行时再动态绑定。

注：类的private方法会隐式地被指定为final方法

final修饰类

当用final修饰一个类时，表明这个类不能被继承。

final类中的成员变量可以根据需要设为final，但是要注意final类中的所有成员方法都会被隐式地指定为final方法。

在使用final修饰类的时候，要注意谨慎选择，除非这个类真的在以后不会用来继承或者出于安全的考虑，尽量不要将类设计为final类。

final关键字的好处

• final关键字提高了性能。JVM和Java应用都会缓存final变量。
• final变量可以安全的在多线程环境下进行共享，而不需要额外的同步开销。
• 使用final关键字，JVM会对方法、变量及类进行优化。

注意事项

• final关键字可以用于成员变量、本地变量、方法以及类。
• final成员变量必须在声明的时候初始化或者在构造器中初始化，否则就会报编译错误。
• 你不能够对final变量再次赋值。
• 本地变量必须在声明时赋值。
• 在匿名类中所有变量都必须是final变量。
• final方法不能被重写。
• final类不能被继承。
• final关键字不同于finally关键字，后者用于异常处理。
• final关键字容易与finalize()方法搞混，后者是在Object类中定义的方法，是在垃圾回收之前被JVM调用的方法。
• 接口中声明的所有变量本身是final的。
• final和abstract这两个关键字是反相关的，final类就不可能是abstract的。
• final方法在编译阶段绑定，称为静态绑定(static binding)。
• 没有在声明时初始化final变量的称为空白final变量(blank final variable)，它们必须在构造器中初始化，或者调用this()初始化。不这么做的话，编译器会报错“final变量(变量名)需要进行初始化”。
• 将类、方法、变量声明为final能够提高性能，这样JVM就有机会进行估计，然后优化。
• 按照Java代码惯例，final变量就是常量，而且通常常量名要大写。
• 对于集合对象声明为final指的是引用不能被更改，但是你可以向其中增加，删除或者改变内容。

原理

内存语义

写内存语义可以确保在对象的引用为任意线程可见之前，final 域已经被初始化过了。

读内存语义可以确保如果对象的引用不为 null，则说明 final 域已经被初始化过了。

总之，final 域的内存语义提供了初始化安全保证。

• 写内存语义：在构造函数内对一个 final 域的写入，与随后将对象引用赋值给引用变量，这两个操作不能重排序。
• 读内存语义：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，这两个操作不能重排序。

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：

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），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）。

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。

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 j。
3. 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。

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。

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：

COPYpublic 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
        }
    }
}

这里 final 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 final 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 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。

对上面的示例程序，我们假设首先线程 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：

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。

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：

COPYpublic 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。

final 语义在处理器中的实现

现在我们以 x86 处理器为例，说明 final 语义在处理器中的具体实现。

上面我们提到，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。

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 final 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 final 域需要的 LoadLoad 屏障也会被省略掉。也就是说在 x86 处理器中，final 域的读 / 写不会插入任何内存屏障！

为什么要增强 final 的语义

在旧的 Java 内存模型中 ，最严重的一个缺陷就是线程可能看到 final 域的值会改变。比如，一个线程当前看到一个整形 final 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 final 域的值时，却发现值变为了 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 final 的语义。通过为 final 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 final 域在构造函数中被初始化之后的值。

final、finally、 finalize区别

• final可以用来修饰类、方法、变量，分别有不同的意义，final修饰的class代表不可以继承扩展，final的变量是不可以修改的，而final的方法也是不可以重写的（override）。
• finally则是Java保证重点代码一定要被执行的一种机制。我们可以使用try-finally或者try-catch-finally来进行类似关闭JDBC连接、保证unlock锁等动作。
• finalize是基础类java.lang.Object的一个方法，它的设计目的是保证对象在被垃圾收集前完成特定资源的回收。finalize机制现在已经不推荐使用，并且在JDK 9开始被标记为deprecated。

本文由传智教育博学谷狂野架构师教研团队发布。

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