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深入理解 Java 中的 final 关键字

final 是Java 中重要关键字之一,可以应用于类、方法以及变量上。这篇文章中将讲解什么是 final 关键字?将变量、方法和类声明为 final 代表了什么?使用 final 的好处是什么?

final 关键字是什么?

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,如果试图将变量再次初始化的话,编译器会报编译错误。

final 变量

凡是对成员变量或者本地变量(在方法中的或者代码块中的变量称为本地变量)声明为 final 的都叫作 final 变量。final 变量经常和 static 关键字一起使用,作为常量。下面是 final 变量的例子:

public static final String NAME = "wupx";
NAME = new String("wupx"); //invalid compilation error

final 变量是只读的。

final 方法

final 也可以声明方法,Java 里用 final 修饰符去修饰一个方法的唯一正确用途就是表达:这个方法原本是一个虚方法,现在通过 final 来声明这个方法不允许在派生类中进一步被覆写(override)。

Java 中非私有的成员方法默认都是虚方法,而虚方法就可以在派生类中被覆写。为了保证某个类上的某个虚方法不在派生类中被进一步覆写,就需要使用 final 修饰符来声明,让编译器(例如 javac)与 JVM 共同检查并保证这个限制总是成立。

下面引用 R 大 在知乎上的回答来打破“用 final 修饰方法可以让对这个方法的调用变快”的流言:

曾经有一种广为流传的说法是用final修饰方法可以让对这个方法的调用变快。这种说法在现代主流的优化JVM上都是不成立的(例如Oracle JDK / OpenJDK HotSpot VM、IBM J9 VM、Azul Systems Zing VM等)。这是因为:能用final修饰的虚方法,其派生类中必然不可能存在对其覆写的版本,于是可以判定这个虚方法只有一个可能的调用目标;而如果此时把这个final修饰符去掉,这些先进的JVM都可以通过“类层次分析”(Class Hierarchy Analysis,CHA)来发现这个方法在派生类中没有进一步覆写的版本,于是同样可以判定这个虚方法只有一个可能的调用目标。然后两者的优化程度会一模一样,无论是从“不需要通过虚分派而可以直接调用目标”(称为“去虚化”,devirtualization)还是从“便于内联”的角度看,这两种情况都是一样的。 而如果某个类层次结构中原本某个虚方法就存在多个覆写版本的话,那么本来也不可能对这个虚方法加上final修饰,所以就算这种情况下去虚化变得困难,锅也不能让“因为没用final修饰”来背。 使用final关键字在现代主流的优化JVM上不会提升性能。

下面是 final 方法的例子:

class User{
    public final String getName(){
        return "user:wupx";
    }
}

class Reader extends User{
    @Override
    public final String getName(){
        return "reader wupx"; //compilation error: overridden method is final
    }
}

final 类

使用 final 来修饰的类叫作 final 类,final类通常功能是完整的,它们不能被继承,Java 中有许多类是 final 的,比如 String, Interger 以及其他包装类。下面是 final 类的实例:

final class User{

}

class Reader extends User{  //compilation error: cannot inherit from final class

}

内存模型中的 final

对于 final 变量,编译器和处理器都要遵守两个重排序规则:

  • 构造函数内,对一个 final 变量的写入,与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个变量,这两个操作之间不可重排序
  • 首次读一个包含 final 变量的对象,与随后首次读这个 final 变量,这两个操作之间不可以重排序

实际上这两个规则也正是针对 final 变量的写与读。写的重排序规则可以保证,在对象引用对任意线程可见之前,对象的 final 变量已经正确初始化了,而普通变量则不具有这个保障;读的重排序规则可以保证,在读一个对象的 final 变量之前,一定会先读这个对象的引用。如果读取到的引用不为空,根据上面的写规则,说明对象的 final 变量一定以及初始化完毕,从而可以读到正确的变量值。

如果 final 变量的类型是引用型,那么构造函数内,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。

实际上这也是为了保证 final 变量在对其他线程可见之前,能够正确的初始化完成。

final 关键字的好处

下面为使用 final 关键字的一些好处:

  • final 关键字提高了性能,JVM 和 Java 应用都会缓存 final 变量
  • 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

总结

  • 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,否则就汇报编译错误
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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

参考 《Java编程思想》 https://www.zhihu.com/question/66083114

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