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1 final域的重排序规则

• 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

2 写/读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;
       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
       }
}

这里假设一个线程A执行writer()方法，随后另一个线程B执行reader()方法。

2.1 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。

• 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。

分析writer()方法

       public static void writer () {　   // 写线程A执行
              obj = 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

• 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。
  

  qq_pic_merged_1534687154607.jpg

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）。

2.2 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。

• 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，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的。

• reader()方法包含3个操作

  • 初次读引用变量obj。
  • 初次读引用变量obj指向对象的普通域j。
  • 初次读引用变量obj指向对象的final域i

qq_pic_merged_1534688114863.jpg

在图中：

• 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。
• 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。

上面为final域是基础数据类型

3 final域为引用类型

• 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。

示例

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
        }
    }
}

• 对上面的示例程序，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。
• MM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。
• 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。

4 final语义在处理器中的实现

• 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
• 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！

5 JSR-133为什么要增强final的语义

• 在旧的Java内存模型中，一个最严重的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型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。

参考

《java并发编程的艺术》