天天看點

深入了解Java記憶體模型(六)——final

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通路。對于final域,編譯器和處理器要遵守兩個重排序規則:

在構造函數内對一個final域的寫入,與随後把這個被構造對象的引用指派給一個引用變量,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,與随後初次讀這個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别說明這兩個規則:

這裡假設一個線程a執行writer ()方法,随後另一個線程b執行reader ()方法。下面我們通過這兩個線程的互動來說明這兩個規則。

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。這個規則的實作包含下面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域的寫之後,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 ()方法隻包含一行代碼:finalexample = new finalexample ()。這行代碼包含兩個步驟:

構造一個finalexample類型的對象;

把這個對象的引用指派給引用變量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(馬上會說明為什麼需要這個假設),下圖是一種可能的執行時序:

深入了解Java記憶體模型(六)——final

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”在了構造函數之内,讀線程b正确的讀取了final變量初始化之後的值。

寫final域的重排序規則可以確定:在對象引用為任意線程可見之前,對象的final域已經被正确初始化過了,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,是以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,同時程式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:

深入了解Java記憶體模型(六)——final

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”在讀對象引用之後,此時該final域已經被a線程初始化過了,這是一個正确的讀取操作。

讀final域的重排序規則可以確定: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。在這個示例程式中,如果該引用不為null,那麼引用對象的final域一定已經被a線程初始化過了。

上面我們看到的final域是基礎資料類型,下面讓我們看看如果final域是引用類型,将會有什麼效果?

請看下列示例代碼:

這裡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限制:

在構造函數内對一個final引用的對象的成員域的寫入,與随後在構造函數外把這個被構造對象的引用指派給一個引用變量,這兩個操作之間不能重排序。

對上面的示例程式,我們假設首先線程a執行writerone()方法,執行完後線程b執行writertwo()方法,執行完後線程c執行reader ()方法。下面是一種可能的線程執行時序:

深入了解Java記憶體模型(六)——final

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指派給某個引用變量。這裡除了前面提到的1不能和3重排序外,2和3也不能重排序。

jmm可以確定讀線程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至少能看到數組下标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之間存在資料競争,此時的執行結果不可

預知。

如果想要確定讀線程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)來確定記憶體可見性。

前面我們提到過,寫final域的重排序規則可以確定: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确

初始化過了。其實要得到這個效果,還需要一個保證:在構造函數内部,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:

假設一個線程a執行writer()方法,另一個線程b執行reader()方法。這裡的操作2使得對象還未完成構造前就為線程b可見。即使這裡的

操作2是構造函數的最後一步,且即使在程式中操作2排在操作1後面,執行read()方法的線程仍然可能無法看到final域被初始化後的值,因為這裡的

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:

深入了解Java記憶體模型(六)——final

從上圖我們可以看出:在構造函數傳回前,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。在構造函數傳回後,任意線程都将保證能看到final域正确初始化之後的值。

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作。

上面我們提到,寫final域的重排序規則會要求譯編器在final域的寫之後,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,是以在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,是以在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/寫不會插入任何記憶體屏障!

在舊的java記憶體模型中

,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,一個線程目前看到一個整形final域的值為0(還未初始化之前的預設值),過一段時

間之後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後的值)。最常見的例子就是在舊的java記憶體模型中,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,這裡就不贅述了)。

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程式員提供初始化安全保

證:隻要對象是正确構造的(被構造對象的引用在構造函數中沒有“逸出”),那麼不需要使用同步(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後的值。

<a href="http://www.cs.umd.edu/users/pugh/java/memorymodel/jsr-133-faq.html"> jsr 133 (java memory model) faq</a>

<a href="http://www.amazon.com/java-concurrency-practice-brian-goetz/dp/0321349601/ref=pd_sim_b_1"> java concurrency in practice</a>

<a href="http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html"> the jsr-133 cookbook for compiler writers</a>

<a href="http://download.intel.com/products/processor/manual/253668.pdf">intel® 64 and ia-32 architecturesvsoftware developer’s manual volume 3a: system programming guide, part 1</a>