深入理解Java記憶體模型(六)——final

AskHarries發表於2018-04-18

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數訪問。對於final域,編譯器和處理器要遵守兩個重排序規則:

  1. 在建構函式內對一個final域的寫入,與隨後把這個被構造物件的引用賦值給一個引用變數,這兩個操作之間不能重排序。
  2. 初次讀一個包含final域的物件的引用,與隨後初次讀這個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程式碼來分別說明這兩個規則:

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

    public void FinalExample () {     //建構函式
        i = 1;                        //寫普通域
        j = 2;                        //寫final域
    }

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

    public static void reader () {       //讀執行緒B執行
        FinalExample object = obj;       //讀物件引用
        int a = object.i;                //讀普通域
        int b = object.j;                //讀final域
    }
}
複製程式碼

這裡假設一個執行緒A執行writer ()方法,隨後另一個執行緒B執行reader ()方法。下面我們通過這兩個執行緒的互動來說明這兩個規則。

寫final域的重排序規則

寫final域的重排序規則禁止把final域的寫重排序到建構函式之外。這個規則的實現包含下面2個方面:

  • JMM禁止編譯器把final域的寫重排序到建構函式之外。
  • 編譯器會在final域的寫之後,建構函式return之前,插入一個StoreStore屏障。這個屏障禁止處理器把final域的寫重排序到建構函式之外。

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

  1. 構造一個FinalExample型別的物件;
  2. 把這個物件的引用賦值給引用變數obj。

假設執行緒B讀物件引用與讀物件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:

在上圖中,寫普通域的操作被編譯器重排序到了建構函式之外,讀執行緒B錯誤的讀取了普通變數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”在了建構函式之內,讀執行緒B正確的讀取了final變數初始化之後的值。

寫final域的重排序規則可以確保:在物件引用為任意執行緒可見之前,物件的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,在讀執行緒B“看到”物件引用obj時,很可能obj物件還沒有構造完成(對普通域i的寫操作被重排序到建構函式外,此時初始值2還沒有寫入普通域i)。

讀final域的重排序規則

讀final域的重排序規則如下:

  • 在一個執行緒中,初次讀物件引用與初次讀該物件包含的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。

初次讀物件引用與初次讀該物件包含的final域,這兩個操作之間存在間接依賴關係。由於編譯器遵守間接依賴關係,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係的操作做重排序(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:

  1. 初次讀引用變數obj;
  2. 初次讀引用變數obj指向物件的普通域j。
  3. 初次讀引用變數obj指向物件的final域i。

現在我們假設寫執行緒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:

在上圖中,讀物件的普通域的操作被處理器重排序到讀物件引用之前。讀普通域時,該域還沒有被寫執行緒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物件final域的操作“限定”在讀物件引用之後,此時該final域已經被A執行緒初始化過了,這是一個正確的讀取操作。

讀final域的重排序規則可以確保:在讀一個物件的final域之前,一定會先讀包含這個final域的物件的引用。在這個示例程式中,如果該引用不為null,那麼引用物件的final域一定已經被A執行緒初始化過了。

如果final域是引用型別

上面我們看到的final域是基礎資料型別,下面讓我們看看如果final域是引用型別,將會有什麼效果?

請看下列示例程式碼:

public class FinalReferenceExample {
final int[] intArray;                     //final是引用型別
static FinalReferenceExample obj;

public FinalReferenceExample () {        //建構函式
    intArray = new int[1];              //1
    intArray[0] = 1;                   //2
}

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

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

public static void reader () {              //讀執行緒C執行
    if (obj != null) {                    //5
        int temp1 = obj.intArray[0];       //6
    }
}
}
複製程式碼

這裡final域為一個引用型別,它引用一個int型的陣列物件。對於引用型別,寫final域的重排序規則對編譯器和處理器增加了如下約束:

  1. 在建構函式內對一個final引用的物件的成員域的寫入,與隨後在建構函式外把這個被構造物件的引用賦值給一個引用變數,這兩個操作之間不能重排序。

對上面的示例程式,我們假設首先執行緒A執行writerOne()方法,執行完後執行緒B執行writerTwo()方法,執行完後執行緒C執行reader ()方法。下面是一種可能的執行緒執行時序:

在上圖中,1是對final域的寫入,2是對這個final域引用的物件的成員域的寫入,3是把被構造的物件的引用賦值給某個引用變數。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可以確保讀執行緒C至少能看到寫執行緒A在建構函式中對final引用物件的成員域的寫入。即C至少能看到陣列下標0的值為1。而寫執行緒B對陣列元素的寫入,讀執行緒C可能看的到,也可能看不到。JMM不保證執行緒B的寫入對讀執行緒C可見,因為寫執行緒B和讀執行緒C之間存在資料競爭,此時的執行結果不可預知。

如果想要確保讀執行緒C看到寫執行緒B對陣列元素的寫入,寫執行緒B和讀執行緒C之間需要使用同步原語(lock或volatile)來確保記憶體可見性。

為什麼final引用不能從建構函式內“逸出”

前面我們提到過,寫final域的重排序規則可以確保:在引用變數為任意執行緒可見之前,該引用變數指向的物件的final域已經在建構函式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:在建構函式內部,不能讓這個被構造物件的引用為其他執行緒可見,也就是物件引用不能在建構函式中“逸出”。為了說明問題,讓我們來看下面示例程式碼:

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
    }
}
}
複製程式碼

假設一個執行緒A執行writer()方法,另一個執行緒B執行reader()方法。這裡的操作2使得物件還未完成構造前就為執行緒B可見。即使這裡的操作2是建構函式的最後一步,且即使在程式中操作2排在操作1後面,執行read()方法的執行緒仍然可能無法看到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:

從上圖我們可以看出:在建構函式返回前,被構造物件的引用不能為其他執行緒可見,因為此時的final域可能還沒有被初始化。在建構函式返回後,任意執行緒都將保證能看到final域正確初始化之後的值。

final語義在處理器中的實現

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域的寫之後,建構函式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。

由於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,由於x86處理器不會對存在間接依賴關係的操作做重排序,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/寫不會插入任何記憶體屏障!

JSR-133為什麼要增強final的語義

在舊的Java記憶體模型中 ,最嚴重的一個缺陷就是執行緒可能看到final域的值會改變。比如,一個執行緒當前看到一個整形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執行緒再去讀這個final域的值時,卻發現值變為了1(被某個執行緒初始化之後的值)。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程式設計師提供初始化安全保證:只要物件是正確構造的(被構造物件的引用在建構函式中沒有“逸出”),那麼不需要使用同步(指lock和volatile的使用),就可以保證任意執行緒都能看到這個final域在建構函式中被初始化之後的值。

參考文獻

  1. Java Concurrency in Practice
  2. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
  3. Java Concurrency in Practice
  4. The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

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

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