摘要：對于域，編譯器和處理器要遵守兩個重排序規則在構造函數內對一個域的寫入，與隨后把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操作之間不能重排序。這個屏障禁止處理器把域的寫重排序到構造函數之外。下一篇深入理解內存模型七總結

與前面介紹的鎖和volatile相比較，對final域的讀和寫更像是普通的變量訪問。對于final域，編譯器和處理器要遵守兩個重排序規則：

在構造函數內對一個final域的寫入，與隨后把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操作之間不能重排序。

初次讀一個包含final域的對象的引用，與隨后初次讀這個final域，這兩個操作之間不能重排序。

下面，我們通過一些示例性的代碼來分別說明這兩個規則：

public class FinalExample {
    int i;                            //普通變量
    final int j;                      //final變量
    static FinalExample obj;

    public void FinalExample () {     //構造函數
        i = 1;                        //寫普通域
        j = 2;                        //寫final域
    }

    public static void writer () {    //寫線程A執行
        obj = new FinalExample ();
    }

    public static void reader () {       //讀線程B執行
        FinalExample object = obj;       //讀對象引用
        int a = object.i;                //讀普通域
        int b = object.j;                //讀final域
    }
}

這里假設一個線程A執行writer ()方法，隨后另一個線程B執行reader ()方法。下面我們通過這兩個線程的交互來說明這兩個規則。

寫final域的重排序規則禁止把final域的寫重排序到構造函數之外。這個規則的實現包含下面2個方面：

JMM禁止編譯器把final域的寫重排序到構造函數之外。

編譯器會在final域的寫之后，構造函數return之前，插入一個StoreStore屏障。這個屏障禁止處理器把final域的寫重排序到構造函數之外。

現在讓我們分析writer ()方法。writer ()方法只包含一行代碼：finalExample = new FinalExample ()。這行代碼包含兩個步驟：

構造一個FinalExample類型的對象；

把這個對象的引用賦值給引用變量obj。

假設線程B讀對象引用與讀對象的成員域之間沒有重排序（馬上會說明為什么需要這個假設），下圖是一種可能的執行時序：

在上圖中，寫普通域的操作被編譯器重排序到了構造函數之外，讀線程B錯誤的讀取了普通變量i初始化之前的值。而寫final域的操作，被寫final域的重排序規則“限定”在了構造函數之內，讀線程B正確的讀取了final變量初始化之后的值。

寫final域的重排序規則可以確保：在對象引用為任意線程可見之前，對象的final域已經被正確初始化過了，而普通域不具有這個保障。以上圖為例，在讀線程B“看到”對象引用obj時，很可能obj對象還沒有構造完成（對普通域i的寫操作被重排序到構造函數外，此時初始值2還沒有寫入普通域i）。

讀final域的重排序規則如下：

在一個線程中，初次讀對象引用與初次讀該對象包含的final域，JMM禁止處理器重排序這兩個操作（注意，這個規則僅僅針對處理器）。編譯器會在讀final域操作的前面插入一個LoadLoad屏障。

初次讀對象引用與初次讀該對象包含的final域，這兩個操作之間存在間接依賴關系。由于編譯器遵守間接依賴關系，因此編譯器不會重排序這兩個操作。大多數處理器也會遵守間接依賴，大多數處理器也不會重排序這兩個操作。但有少數處理器允許對存在間接依賴關系的操作做重排序（比如alpha處理器），這個規則就是專門用來針對這種處理器。

reader()方法包含三個操作：

初次讀引用變量obj;

初次讀引用變量obj指向對象的普通域j。

初次讀引用變量obj指向對象的final域i。

現在我們假設寫線程A沒有發生任何重排序，同時程序在不遵守間接依賴的處理器上執行，下面是一種可能的執行時序：

在上圖中，讀對象的普通域的操作被處理器重排序到讀對象引用之前。讀普通域時，該域還沒有被寫線程A寫入，這是一個錯誤的讀取操作。而讀final域的重排序規則會把讀對象final域的操作“限定”在讀對象引用之后，此時該final域已經被A線程初始化過了，這是一個正確的讀取操作。

讀final域的重排序規則可以確保：在讀一個對象的final域之前，一定會先讀包含這個final域的對象的引用。在這個示例程序中，如果該引用不為null，那么引用對象的final域一定已經被A線程初始化過了。

上面我們看到的final域是基礎數據類型，下面讓我們看看如果final域是引用類型，將會有什么效果？

請看下列示例代碼：

public class FinalReferenceExample {
final int[] intArray;                     //final是引用類型
static FinalReferenceExample obj;

public FinalReferenceExample () {        //構造函數
    intArray = new int[1];              //1
    intArray[0] = 1;                   //2
}

public static void writerOne () {          //寫線程A執行
    obj = new FinalReferenceExample ();  //3
}

public static void writerTwo () {          //寫線程B執行
    obj.intArray[0] = 2;                 //4
}

public static void reader () {              //讀線程C執行
    if (obj != null) {                    //5
        int temp1 = obj.intArray[0];       //6
    }
}
}

這里final域為一個引用類型，它引用一個int型的數組對象。對于引用類型，寫final域的重排序規則對編譯器和處理器增加了如下約束：

在構造函數內對一個final引用的對象的成員域的寫入，與隨后在構造函數外把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操作之間不能重排序。

對上面的示例程序，我們假設首先線程A執行writerOne()方法，執行完后線程B執行writerTwo()方法，執行完后線程C執行reader ()方法。下面是一種可能的線程執行時序：

在上圖中，1是對final域的寫入，2是對這個final域引用的對象的成員域的寫入，3是把被構造的對象的引用賦值給某個引用變量。這里除了前面提到的1不能和3重排序外，2和3也不能重排序。

JMM可以確保讀線程C至少能看到寫線程A在構造函數中對final引用對象的成員域的寫入。即C至少能看到數組下標0的值為1。而寫線程B對數組元素的寫入，讀線程C可能看的到，也可能看不到。JMM不保證線程B的寫入對讀線程C可見，因為寫線程B和讀線程C之間存在數據競爭，此時的執行結果不可預知。

如果想要確保讀線程C看到寫線程B對數組元素的寫入，寫線程B和讀線程C之間需要使用同步原語（lock或volatile）來確保內存可見性。

前面我們提到過，寫final域的重排序規則可以確保：在引用變量為任意線程可見之前，該引用變量指向的對象的final域已經在構造函數中被正確初始化過了。其實要得到這個效果，還需要一個保證：在構造函數內部，不能讓這個被構造對象的引用為其他線程可見，也就是對象引用不能在構造函數中“逸出”。為了說明問題，讓我們來看下面示例代碼：

public class FinalReferenceEscapeExample {
final int i;
static FinalReferenceEscapeExample obj;

public FinalReferenceEscapeExample () {
    i = 1;                              //1寫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
    }
}
}

假設一個線程A執行writer()方法，另一個線程B執行reader()方法。這里的操作2使得對象還未完成構造前就為線程B可見。即使這里的操作2是構造函數的最后一步，且即使在程序中操作2排在操作1后面，執行read()方法的線程仍然可能無法看到final域被初始化后的值，因為這里的操作1和操作2之間可能被重排序。實際的執行時序可能如下圖所示：

從上圖我們可以看出：在構造函數返回前，被構造對象的引用不能為其他線程可見，因為此時的final域可能還沒有被初始化。在構造函數返回后，任意線程都將保證能看到final域正確初始化之后的值。

現在我們以x86處理器為例，說明final語義在處理器中的具體實現。

上面我們提到，寫final域的重排序規則會要求譯編器在final域的寫之后，構造函數return之前，插入一個StoreStore障屏。讀final域的重排序規則要求編譯器在讀final域的操作前面插入一個LoadLoad屏障。

由于x86處理器不會對寫-寫操作做重排序，所以在x86處理器中，寫final域需要的StoreStore障屏會被省略掉。同樣，由于x86處理器不會對存在間接依賴關系的操作做重排序，所以在x86處理器中，讀final域需要的LoadLoad屏障也會被省略掉。也就是說在x86處理器中，final域的讀/寫不會插入任何內存屏障！

在舊的Java內存模型中 ，最嚴重的一個缺陷就是線程可能看到final域的值會改變。比如，一個線程當前看到一個整形final域的值為0（還未初始化之前的默認值），過一段時間之后這個線程再去讀這個final域的值時，卻發現值變為了1（被某個線程初始化之后的值）。最常見的例子就是在舊的Java內存模型中，String的值可能會改變（參考文獻2中有一個具體的例子，感興趣的讀者可以自行參考，這里就不贅述了）。

為了修補這個漏洞，JSR-133專家組增強了final的語義。通過為final域增加寫和讀重排序規則，可以為java程序員提供初始化安全保證：只要對象是正確構造的（被構造對象的引用在構造函數中沒有“逸出”），那么不需要使用同步（指lock和volatile的使用），就可以保證任意線程都能看到這個final域在構造函數中被初始化之后的值。

?JSR 133 (Java Memory Model) FAQ

?Java Concurrency in Practice

?The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

Intel? 64 and IA-32 ArchitecturesvSoftware Developer’s Manual Volume 3A: System Programming Guide, Part 1

程曉明，Java軟件工程師，國家認證的系統分析師、信息項目管理師。專注于并發編程，個人郵箱：asst2003@163.com。

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