Java杂谈5——关键字final与volatile

Final关键字

　　在Java语言中，随着语境的不同final关键字所代表的语义会有一些细微的差异。总的来说，final关键字表达的含义是“禁止修改”，这层有点类似于C++中的const关键字。之所以要采用final关键字，一般是会出于性能和设计层面的考虑。下文会具体讨论final关键字在不同语境中的具体用法。

Final + 属性

　　用final关键字修饰的属性，对于Java编译器来说就是一个“常量”。其特点是：1.具体的值在编译期间就已经被确定；2.在运行时不能再被修改。基于以上两个特点，我们分别分析一下Java中具体的基本类型和引用类型：

　　对于基本类型，其本身就存放于虚拟机栈内部，由于这些基本类型都是与底层数据类型直接对应的，一些确定的计算过程可以直接在编译期完成，优化了运行期的执行效率。

　　对于引用类型，我们已知引用本身其实也是存放于虚拟机栈中，final关键字只限制了对这个引用的更改，并不会限制对引用所指的实例化对象的变更。

综上所述，我们可以看出，final关键在修饰属性时，不论属性类型，限制修改的范围是固定在虚拟机栈内部的存储。

空白（blank）final

　　一个final属性可以定义的时候不赋予初始的值，但是在其实际使用之前必定需要被初始化，通常final属性的初始化，只会位于构造函数中或者属性定义时的表达式表达式。

Final+方法

　　如果一个方法如果被声明为final类型，包含了两层含义：1.这个方法不能再被重写（即方法本身不能再被修改）；2.方法的调用过程采用内嵌机制，更为高效（节约了入栈出栈的开销，更为高效，此时的final语义上有点类似于c++中的inline函数）。

　　需要注意的是，private关键字是不能和final连用的。如果一个父类包含了private final修饰的方法，根据private关键字的语义，子类中应该是可以重新定义一个与父类中对应方法签名一直的方法，但是final关键字的语义有说明了这个方法是不能被重写的，产生了歧义。

Final修饰的形参

　　如果一个方法的形参用final关键字修饰，表示的含义就是在这个方法内部，这个形参的值是不能被修改的。有点类似于final属性，如果final修饰的形参数据类型是一个引用，这里只限制了这个引用本身被更改，并不会限制对引用指向实例化对象的修改。

Final+类

一个类用final关键字修饰，其含义包括：1.这个类不能再被任何子类继承，2.这个类内部的所有方法都默认是final方法。

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Volatile关键字

　　Volatile的英文含义为易变的、挥发的，在java语言中volatile关键字是一个类型修饰符。JAVA中Volatile的作用：强制每次都直接读内存，阻止重排序，确保voltile类型的值一旦被写入缓存必定会被立即更新到主存。

要真正理解volatile语义的作用，就必须优先搞懂volatile关键字相关的几个概念。

Java内存/线程模型

　　在JAVA多线程环境下，每个Java线程除了共享的虚拟机栈外和Java堆之外，还存在一个独立私有的堆内存（默认情况下大小为512KB，在线程被创建时分配，可以通过-Xss选项调节其默认值大小）。每个线程独立运行，彼此之间都不可见，线程的私有堆内存中保留了一份主内存的拷贝，只有在特定需求的情况下才会与主存做交互（复制/刷新）。

JAVA内存模型示例图

重排序

在有些场景下访问程序变量会表现出与程序制定的顺序不一样。例如：编译器可以以优化的名义改变指令的顺序，处理器也可以不按照顺序来执行指令等。一个Java程序在从源代码到最终实际执行的指令序列之间，会经历一系列的重排序过程：

　　这种任意改变指令顺序的行为在单线程的情况下“似乎”是无害有益的，但是如果换到多线程的情况，由于所有线程都独立运行，不知道其他线程在做什么；如果多个线程批次之间还存在共享的内存区域，就必须解决同步的问题。

Volatile使用的理想条件

　　正是由于JAVA中volatile关键字的这种语义，volatile可以被认为是一个轻量级的synchronized块，但实际使用过程中还是有一些限制。

　　Volatile被正确使用的理想条件包括如下两点：

• 对变量的写操作不依赖当前值。
• 变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

　　说得很抽象，归结起来就是一个volatile变量能够用来实现“轻量级的同步”，前提是这个变量自身不能同时被多个线程共享修改。

　　通常volatile的使用场景：存在多个线程同时运行，只有一个线程拥有对volatile属性的修改权，其他的线程只能进行读操作。具体的示例参考模式有兴趣的同学可以参考文章《JAVA理论与实践》。

Volatile的注意事项

Volatile只能保证每次线程读取到的变量来自最新的内存，保证修改操作能够及时反馈到主内存中，相对于synchronized锁定内存的做法，volatile在读取时拥有很大的性能上的优势。

Voltile关键字并不保证操作的原子性，例如一个自增操作i++，即使i被声明为voltile类型，在多线程的情况下，i的值也会是不确定的。

在JAVA中long类型和double类型都是64位长度，对于32位的机器这需要两次读内存的操作。在规范中，JAVA内存模型只在这种情况下保证用voilate修饰的double和long类型变量的两次读操作变为一个原子操作。

　　综上所述，volatile关键字表现出了一种脆弱的同步机制，在无法确认当前场景绝对满足的前提下，voilate关键字很难保证安全合理得被使用。但确实volatile为我们提供了在特定场景下更高的性能（相比synchronized）。

参考资料

1. Java Memory Model http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/
2. 《Thinking in JAVA》
3. JAVA理论与实践：正确使用volatile变量http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html
4. JSR 135 （JAVA Memory Model）FAQhttp://www.ticmy.com/?p=315
5. JAVA线程/内存模型的缺陷与增强http://tech.163.com/06/0525/09/2HV7DCJ20009159T.html
6. Wekipedia Java Memory Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Java_Memory_Model
7. 深入理解Java内存模型http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1