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JAVA面试50讲之2:final关键字的底层原理是什么?

概念

final在Java中是一个保留的关键字,可以声明成员变量、方法、类以及本地变量。

一旦你将引用声明作final,你将不能改变这个引用了,编译器会检查代码,如果你试图将变量再次初始化的话,编译器会报编译错误。

一、final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。

二、final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)

三、final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。

四、final使用总结

final关键字的好处:

(1)final关键字提高了性能。JVM和Java应用都会缓存final变量。

(2)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。

(3)使用final关键字,JVM会对方法、变量及类进行优化。

关于final的重要知识点

  • 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。

五、final原理

注:最好先理解java内存模型,后期专门开专题讲解

对于final域,编译器和处理器要遵守两个重排序规则:

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。

  (先写入final变量,后调用该对象引用)

  原因:编译器会在final域的写之后,插入一个StoreStore屏障

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。

  (先读对象的引用,后读final变量)

  编译器会在读final域操作的前面插入一个LoadLoad屏障

示例1:

public class FinalExample {
    int i; // 普通变量
    final int j; // final 变量
    static FinalExample obj;

    public void 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         a=1或者a=0或者直接报错i没有初始化
        int b = object.j; // 读 final域      b=2
    }}

第一种情况

写普通域的操作被编译器重排序到了构造函数之外

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。

第二种情况

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

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。

示例2:如果 final 域是引用类型

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。

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  temp1=1或者temp1=2,不可能等于0
        }
    }}

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。

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。

六、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。

另外特例需要了解一下。比如,下面代码会输出什么?

try { 
    // do something  
    System.exit(1);} finally {  
    System.out.println(“Print from finally”);}

上面finally里面的代码可不会被执行的哦。

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