一文了解 final 關鍵字的特性、使用方法以及實現原理

  • 2019 年 10 月 8 日
  • 筆記

目錄

  • final使用
  • final變數
  • final修飾基本數據類型變數和引用
  • final類
  • final關鍵字的知識點
  • final關鍵字的最佳實踐
  • final的用法
  • 關於空白final
  • final記憶體分配
  • 使用final修飾方法會提高速度和效率嗎
  • 使用final修飾變數會讓變數的值不能被改變嗎；
  • 如何保證數組內部不被修改
  • final方法的三條規則
  • final 和 jvm的關係
  • 寫 final 域的重排序規則
  • 讀 final 域的重排序規則
  • 如果 final 域是引用類型
  • 參考文章
  • 微信公眾號
  • Java技術江湖
  • 個人公眾號：黃小斜

– final

本系列文章將整理到我在GitHub上的《Java面試指南》倉庫，更多精彩內容請到我的倉庫里查看

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文章首發於我的個人部落格：

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final關鍵字在java中使用非常廣泛，可以申明成員變數、方法、類、本地變數。一旦將引用聲明為final，將無法再改變這個引用。final關鍵字還能保證記憶體同步，本部落格將會從final關鍵字的特性到從java記憶體層面保證同步講解。這個內容在面試中也有可能會出現。

final使用

final變數

final變數有成員變數或者是本地變數(方法內的局部變數)，在類成員中final經常和static一起使用，作為類常量使用。其中類常量必須在聲明時初始化，final成員常量可以在構造函數初始化。

public class Main {      public static final int i; //報錯，必須初始化 因為常量在常量池中就存在了，調用時不需要類的初始化，所以必須在聲明時初始化      public static final int j;      Main() {          i = 2;          j = 3;      }  }

就如上所說的，對於類常量，JVM會快取在常量池中，在讀取該變數時不會載入這個類。

public class Main {      public static final int i = 2;      Main() {          System.out.println("調用構造函數"); // 該方法不會調用      }      public static void main(String[] args) {          System.out.println(Main.i);      }  }

final修飾基本數據類型變數和引用

@Test  public void final修飾基本類型變數和引用() {      final int a = 1;      final int[] b = {1};      final int[] c = {1};  //  b = c;報錯      b[0] = 1;      final String aa = "a";      final Fi f = new Fi();      //aa = "b";報錯      // f = null;//報錯      f.a = 1;  }

final方法表示該方法不能被子類的方法重寫，將方法聲明為final，在編譯的時候就已經靜態綁定了，不需要在運行時動態綁定。final方法調用時使用的是invokespecial指令。

class PersonalLoan{      public final String getName(){          return"personal loan」;      }  }    class CheapPersonalLoan extends PersonalLoan{      @Override      public final String getName(){          return"cheap personal loan";//編譯錯誤，無法被重載      }        public String test() {          return getName(); //可以調用，因為是public方法      }  }

final類

final類不能被繼承，final類中的方法默認也會是final類型的，java中的String類和Integer類都是final類型的。

class Si{      //一般情況下final修飾的變數一定要被初始化。      //只有下面這種情況例外，要求該變數必須在構造方法中被初始化。      //並且不能有空參數的構造方法。      //這樣就可以讓每個實例都有一個不同的變數，並且這個變數在每個實例中只會被初始化一次      //於是這個變數在單個實例里就是常量了。      final int s ;      Si(int s) {          this.s = s;      }  }  class Bi {      final int a = 1;      final void go() {          //final修飾方法無法被繼承      }  }  class Ci extends Bi {      final int a = 1;  //        void go() {  //            //final修飾方法無法被繼承  //        }  }  final char[]a = {'a'};  final int[]b = {1};
final class PersonalLoan{}    class CheapPersonalLoan extends PersonalLoan {  //編譯錯誤，無法被繼承  }
@Test  public void final修飾類() {      //引用沒有被final修飾，所以是可變的。      //final只修飾了Fi類型，即Fi實例化的對象在堆中記憶體地址是不可變的。      //雖然記憶體地址不可變，但是可以對內部的數據做改變。      Fi f = new Fi();      f.a = 1;      System.out.println(f);      f.a = 2;      System.out.println(f);      //改變實例中的值並不改變記憶體地址。        Fi ff = f;      //讓引用指向新的Fi對象，原來的f對象由新的引用ff持有。      //引用的指向改變也不會改變原來對象的地址      f = new Fi();      System.out.println(f);      System.out.println(ff);  }

final關鍵字的知識點

  1. final成員變數必須在聲明的時候初始化或者在構造器中初始化，否則就會報編譯錯誤。final變數一旦被初始化後不能再次賦值。
  2. 本地變數必須在聲明時賦值。因為沒有初始化的過程
  3. 在匿名類中所有變數都必須是final變數。
  4. final方法不能被重寫, final類不能被繼承
  5. 介面中聲明的所有變數本身是final的。類似於匿名類
  6. final和abstract這兩個關鍵字是反相關的，final類就不可能是abstract的。
  7. final方法在編譯階段綁定，稱為靜態綁定(static binding)。
  8. 將類、方法、變數聲明為final能夠提高性能，這樣JVM就有機會進行估計，然後優化。

final方法的好處:

  1. 提高了性能，JVM在常量池中會快取final變數
  2. final變數在多執行緒中並發安全，無需額外的同步開銷
  3. final方法是靜態編譯的，提高了調用速度
  4. final類創建的對象是只可讀的，在多執行緒可以安全共享
  5. 5.

final關鍵字的最佳實踐

final的用法

1、final 對於常量來說，意味著值不能改變，例如 final int i=100。這個i的值永遠都是100。但是對於變數來說又不一樣，只是標識這個引用不可被改變，例如 final File f=new File("c:test.txt");

那麼這個f一定是不能被改變的，如果f本身有方法修改其中的成員變數，例如是否可讀，是允許修改的。有個形象的比喻：一個女子定義了一個final的老公，這個老公的職業和收入都是允許改變的，只是這個女人不會換老公而已。

關於空白final

final修飾的變數有三種：靜態變數、實例變數和局部變數，分別表示三種類型的常量。 　另外，final變數定義的時候，可以先聲明，而不給初值，這中變數也稱為final空白，無論什麼情況，編譯器都確保空白final在使用之前必須被初始化。 但是，final空白在final關鍵字final的使用上提供了更大的靈活性，為此，一個類中的final數據成員就可以實現依對象而有所不同，卻有保持其恆定不變的特徵。

public class FinalTest {  final int p;  final int q=3;  FinalTest(){  p=1;  }  FinalTest(int i){  p=i;//可以賦值，相當於直接定義p  q=i;//不能為一個final變數賦值  }  }

final記憶體分配

剛提到了內嵌機制，現在詳細展開。要知道調用一個函數除了函數本身的執行時間之外，還需要額外的時間去尋找這個函數（類內部有一個函數簽名和函數地址的映射表）。所以減少函數調用次數就等於降低了性能消耗。

final修飾的函數會被編譯器優化，優化的結果是減少了函數調用的次數。如何實現的，舉個例子給你看：

public class Test{  final void func(){System.out.println("g");};  public void main(String[] args){  for(int j=0;j<1000;j++)  func();  }}  經過編譯器優化之後，這個類變成了相當於這樣寫：  public class Test{  final void func(){System.out.println("g");};  public void main(String[] args){  for(int j=0;j<1000;j++)  {System.out.println("g");}  }}

看出來區別了吧？編譯器直接將func的函數體內嵌到了調用函數的地方，這樣的結果是節省了1000次函數調用，當然編譯器處理成位元組碼，只是我們可以想像成這樣，看個明白。

不過，當函數體太長的話，用final可能適得其反，因為經過編譯器內嵌之後程式碼長度大大增加，於是就增加了jvm解釋位元組碼的時間。

在使用final修飾方法的時候，編譯器會將被final修飾過的方法插入到調用者程式碼處，提高運行速度和效率，但被final修飾的方法體不能過大，編譯器可能會放棄內聯，但究竟多大的方法會放棄，我還沒有做測試來計算過。

下面這些內容是通過兩個疑問來繼續闡述的

使用final修飾方法會提高速度和效率嗎

見下面的測試程式碼，我會執行五次：

public class Test  {      public static void getJava()      {          String str1 = "Java ";          String str2 = "final ";          for (int i = 0; i < 10000; i++)          {              str1 += str2;          }      }      public static final void getJava_Final()      {          String str1 = "Java ";          String str2 = "final ";          for (int i = 0; i < 10000; i++)          {              str1 += str2;          }      }      public static void main(String[] args)      {          long start = System.currentTimeMillis();          getJava();          System.out.println("調用不帶final修飾的方法執行時間為:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "毫秒時間");          start = System.currentTimeMillis();          String str1 = "Java ";          String str2 = "final ";          for (int i = 0; i < 10000; i++)          {              str1 += str2;          }          System.out.println("正常的執行時間為:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "毫秒時間");          start = System.currentTimeMillis();          getJava_Final();          System.out.println("調用final修飾的方法執行時間為:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "毫秒時間");      }  }
結果為：  第一次：  調用不帶final修飾的方法執行時間為:1732毫秒時間  正常的執行時間為:1498毫秒時間  調用final修飾的方法執行時間為:1593毫秒時間  第二次：  調用不帶final修飾的方法執行時間為:1217毫秒時間  正常的執行時間為:1031毫秒時間  調用final修飾的方法執行時間為:1124毫秒時間  第三次：  調用不帶final修飾的方法執行時間為:1154毫秒時間  正常的執行時間為:1140毫秒時間  調用final修飾的方法執行時間為:1202毫秒時間  第四次：  調用不帶final修飾的方法執行時間為:1139毫秒時間  正常的執行時間為:999毫秒時間  調用final修飾的方法執行時間為:1092毫秒時間  第五次：  調用不帶final修飾的方法執行時間為:1186毫秒時間  正常的執行時間為:1030毫秒時間  調用final修飾的方法執行時間為:1109毫秒時間    由以上運行結果不難看出，執行最快的是「正常的執行」即程式碼直接編寫，而使用final修飾的方法，不像有些書上或者文章上所說的那樣，速度與效率與「正常的執行」無異，而是位於第二位，最差的是調用不加final修飾的方法。

觀點：加了比不加好一點。

使用final修飾變數會讓變數的值不能被改變嗎；

見程式碼：

public class Final  {      public static void main(String[] args)      {          Color.color[3] = "white";          for (String color : Color.color)              System.out.print(color+" ");      }  }    class Color  {      public static final String[] color = { "red", "blue", "yellow", "black" };  }
執行結果：  red blue yellow white  看！，黑色變成了白色。

在使用findbugs插件時，就會提示public static String[] color = { "red", "blue", "yellow", "black" };這行程式碼不安全，但加上final修飾，這行程式碼仍然是不安全的，因為final沒有做到保證變數的值不會被修改！ 原因是：final關鍵字只能保證變數本身不能被賦與新值，而不能保證變數的內部結構不被修改。例如在main方法有如下程式碼Color.color = new String[]{""};就會報錯了。

如何保證數組內部不被修改

那可能有的同學就會問了，加上final關鍵字不能保證數組不會被外部修改，那有什麼方法能夠保證呢？答案就是降低訪問級別，把數組設為private。這樣的話，就解決了數組在外部被修改的不安全性，但也產生了另一個問題，那就是這個數組要被外部使用的。

解決這個問題見程式碼：

import java.util.AbstractList;  import java.util.List;    public class Final  {      public static void main(String[] args)      {          for (String color : Color.color)              System.out.print(color + " ");          Color.color.set(3, "white");      }  }    class Color  {      private static String[] _color = { "red", "blue", "yellow", "black" };      public static List<String> color = new AbstractList<String>()      {          @Override          public String get(int index)          {              return _color[index];          }          @Override          public String set(int index, String value)          {              throw new RuntimeException("為了程式碼安全,不能修改數組");          }          @Override          public int size()          {              return _color.length;          }      };
}

這樣就OK了，既保證了程式碼安全，又能讓數組中的元素被訪問了。

final方法的三條規則

規則1：final修飾的方法不可以被重寫。

規則2：final修飾的方法僅僅是不能重寫，但它完全可以被重載。

規則3：父類中private final方法，子類可以重新定義，這種情況不是重寫。

程式碼示例

規則1程式碼    public class FinalMethodTest  {      public final void test(){}  }  class Sub extends FinalMethodTest  {      // 下面方法定義將出現編譯錯誤，不能重寫final方法      public void test(){}  }    規則2程式碼    public class Finaloverload {      //final 修飾的方法只是不能重寫，完全可以重載      public final void test(){}      public final void test(String arg){}  }    規則3程式碼    public class PrivateFinalMethodTest  {      private final void test(){}  }  class Sub extends PrivateFinalMethodTest  {      // 下面方法定義將不會出現問題      public void test(){}  }

final 和 jvm的關係

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. 在構造函數內對一個 final 域的寫入，與隨後把這個被構造對象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 域的對象的引用，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 () {     // 構造函數      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;       // 讀對象引用      int a = object.i;                // 讀普通域      int b = object.j;                // 讀 final 域  }  }

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交互來說明這兩個規則。

寫 final 域的重排序規則

寫 final 域的重排序規則禁止把 final 域的寫重排序到構造函數之外。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 類型的對象；
  2. 把這個對象的引用賦值給引用變數 obj。

假設執行緒 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：

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」在了構造函數之內，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：在對象引用為任意執行緒可見之前，對象的 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」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

讀 final 域的重排序規則如下：

  • 在一個執行緒中，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 指向對象的普通域 j。
  3. 初次讀引用變數 obj 指向對象的 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 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。在這個示常式序中，如果該引用不為 null，那麼引用對象的 final 域一定已經被 A 執行緒初始化過了。

如果 final 域是引用類型

上面我們看到的 final 域是基礎數據類型，下面讓我們看看如果 final 域是引用類型，將會有什麼效果？

請看下列示例程式碼：

public class FinalReferenceExample {  final int[] intArray;                     //final 是引用類型  static FinalReferenceExample obj;    public FinalReferenceExample () {        // 構造函數      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      }  }  }

這裡 final 域為一個引用類型，它引用一個 int 型的數組對象。對於引用類型，寫 final 域的重排序規則對編譯器和處理器增加了如下約束：

  1. 在構造函數內對一個 final 引用的對象的成員域的寫入，與隨後在構造函數外把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變數，這兩個操作之間不能重排序。

對上面的示常式序，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 域引用的對象的成員域的寫入，3 是把被構造的對象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 至少能看到數組下標 0 的值為 1。而寫執行緒 B 對數組元素的寫入，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 之間存在數據競爭，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 對數組元素的寫入，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。

參考文章

https://www.infoq.cn/article/java-memory-model-6 https://www.jianshu.com/p/067b6c89875a https://www.jianshu.com/p/f68d6ef2dcf0 https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/6392154.html https://www.iteye.com/blog/cakin24-2334965 https://blog.csdn.net/chengqiuming/article/details/70139503 https://blog.csdn.net/hupuxiang/article/details/7362267

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