夯实Java基础系列4一文了解final关键字的特性使用方法以及实现原理

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目录

  • final 使用

    • final 变量
    • final 修饰基本数据类型变量和引用
    • final 类
    • final 关键字的知识点

  • final 关键字的最佳实践

    • final 的用法
    • 关于空白 final
    • final 内存分配
    • 使用 final 修饰方法会提高速度和效率吗
    • 使用 final 修饰变量会让变量的值不能被改变吗；
    • 如何保证数组内部不被修改
    • final 方法的三条规则

  • final 和 jvm 的关系

    • 写 final 域的重排序规则
    • 读 final 域的重排序规则
    • 如果 final 域是引用类型
  • 参考文章

  • 微信公众号

    • Java 技术江湖
    • 个人公众号：黄小斜

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本文是微信公众号【Java 技术江湖】的《夯实 Java 基础系列博文》其中一篇，本文部分内容来源于网络，为了把本文主题讲得清晰透彻，也整合了很多我认为不错的技术博客内容，引用其中了一些比较好的博客文章，如有侵权，请联系作者。
该系列博文会告诉你如何从入门到进阶，一步步地学习 Java 基础知识，并上手进行实战，接着了解每个 Java 知识点背后的实现原理，更完整地了解整个 Java 技术体系，形成自己的知识框架。为了更好地总结和检验你的学习成果，本系列文章也会提供每个知识点对应的面试题以及参考答案。

如果对本系列文章有什么建议，或者是有什么疑问的话，也可以关注公众号【Java 技术江湖】联系作者，欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

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final 关键字在 java 中使用非常广泛，可以申明成员变量、方法、类、本地变量。一旦将引用声明为 final，将无法再改变这个引用。final 关键字还能保证内存同步，本博客将会从 final 关键字的特性到从 java 内存层面保证同步讲解。这个内容在面试中也有可能会出现。

final 使用

final 变量

final 变量有成员变量或者是本地变量 (方法内的局部变量)，在类成员中 final 经常和 static 一起使用，作为类常量使用。 其中类常量必须在声明时初始化，final 成员常量可以在构造函数初始化。

public class Main {
    public static final int i; // 报错，必须初始化 因为常量在常量池中就存在了，调用时不需要类的初始化，所以必须在声明时初始化
    public static final int j;
    Main() {
        i = 2;
        j = 3;
    }
}

就如上所说的，对于类常量，JVM 会缓存在常量池中，在读取该变量时不会加载这个类。

public class Main {
    public static final int i = 2;
    Main() {System.out.println("调用构造函数"); // 该方法不会调用
    }
    public static void main(String[] args) {System.out.println(Main.i);
    }
}

final 修饰基本数据类型变量和引用

@Test
public void final 修饰基本类型变量和引用() {
    final int a = 1;
    final int[] b = {1};
    final int[] c = {1};
//  b = c; 报错
    b[0] = 1;
    final String aa = "a";
    final Fi f = new Fi();
    //aa = "b"; 报错
    // f = null;// 报错
    f.a = 1;
}

final 方法表示该方法不能被子类的方法重写，将方法声明为 final，在编译的时候就已经静态绑定了，不需要在运行时动态绑定。final 方法调用时使用的是 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";// 编译错误，无法被重载}

    public String test() {return getName(); // 可以调用，因为是 public 方法
    }
}

final 类

final 类不能被继承，final 类中的方法默认也会是 final 类型的，java 中的 String 类和 Integer 类都是 final 类型的。

class Si{
    // 一般情况下 final 修饰的变量一定要被初始化。// 只有下面这种情况例外，要求该变量必须在构造方法中被初始化。// 并且不能有空参数的构造方法。// 这样就可以让每个实例都有一个不同的变量，并且这个变量在每个实例中只会被初始化一次
    // 于是这个变量在单个实例里就是常量了。final int s ;
    Si(int s) {this.s = s;}
}
class Bi {
    final int a = 1;
    final void go() {//final 修饰方法无法被继承}
}
class Ci extends Bi {
    final int a = 1;
//        void go() {
//            //final 修饰方法无法被继承
//        }
}
final char[]a = {'a'};
final int[]b = {1};
final class PersonalLoan{}

class CheapPersonalLoan extends PersonalLoan {// 编译错误，无法被继承}

@Test
public void final 修饰类() {
    // 引用没有被 final 修饰，所以是可变的。//final 只修饰了 Fi 类型，即 Fi 实例化的对象在堆中内存地址是不可变的。// 虽然内存地址不可变，但是可以对内部的数据做改变。Fi f = new Fi();
    f.a = 1;
    System.out.println(f);
    f.a = 2;
    System.out.println(f);
    // 改变实例中的值并不改变内存地址。Fi ff = f;
    // 让引用指向新的 Fi 对象，原来的 f 对象由新的引用 ff 持有。// 引用的指向改变也不会改变原来对象的地址
    f = new Fi();
    System.out.println(f);
    System.out.println(ff);
}

final 关键字的知识点

  1. 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。final 变量一旦被初始化后不能再次赋值。
  2. 本地变量必须在声明时赋值。因为没有初始化的过程
  3. 在匿名类中所有变量都必须是 final 变量。
  4. final 方法不能被重写, final 类不能被继承
  5. 接口中声明的所有变量本身是 final 的。类似于匿名类
  6. final 和 abstract 这两个关键字是反相关的，final 类就不可能是 abstract 的。
  7. final 方法在编译阶段绑定，称为静态绑定(static binding)。
  8. 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。

final 方法的好处:

  1. 提高了性能，JVM 在常量池中会缓存 final 变量
  2. final 变量在多线程中并发安全，无需额外的同步开销
  3. final 方法是静态编译的，提高了调用速度
  4. final 类创建的对象是只可读的，在多线程可以安全共享

final 关键字的最佳实践

final 的用法

1、final 对于常量来说，意味着值不能改变，例如 final int i=100。这个 i 的值永远都是 100。
但是对于变量来说又不一样，只是标识这个引用不可被改变，例如 final File f=new File(“c:\test.txt”);

那么这个 f 一定是不能被改变的，如果 f 本身有方法修改其中的成员变量，例如是否可读，是允许修改的。有个形象的比喻：一个女子定义了一个 final 的老公，这个老公的职业和收入都是允许改变的，只是这个女人不会换老公而已。

关于空白 final

final 修饰的变量有三种：静态变量、实例变量和局部变量，分别表示三种类型的常量。
另外，final 变量定义的时候，可以先声明，而不给初值，这中变量也称为 final 空白，无论什么情况，编译器都确保空白 final 在使用之前必须被初始化。

但是，final 空白在 final 关键字 final 的使用上提供了更大的灵活性，为此，一个类中的 final 数据成员就可以实现依对象而有所不同，却有保持其恒定不变的特征。

public class FinalTest { 
final int p; 
final int q=3; 
FinalTest(){p=1;} 
FinalTest(int i){ 
p=i;// 可以赋值，相当于直接定义 p 
q=i;// 不能为一个 final 变量赋值 
} 
}

final 内存分配

刚提到了内嵌机制，现在详细展开。
要知道调用一个函数除了函数本身的执行时间之外，还需要额外的时间去寻找这个函数（类内部有一个函数签名和函数地址的映射表）。所以减少函数调用次数就等于降低了性能消耗。

final 修饰的函数会被编译器优化，优化的结果是减少了函数调用的次数。如何实现的，举个例子给你看：

public class Test{final void func(){System.out.println("g");}; 
public void main(String[] args){for(int j=0;j<1000;j++)   
func();}} 
经过编译器优化之后，这个类变成了相当于这样写：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");} 
}}

看出来区别了吧？编译器直接将 func 的函数体内嵌到了调用函数的地方，这样的结果是节省了 1000 次函数调用，当然编译器处理成字节码，只是我们可以想象成这样，看个明白。

不过，当函数体太长的话，用 final 可能适得其反，因为经过编译器内嵌之后代码长度大大增加，于是就增加了 jvm 解释字节码的时间。

在使用 final 修饰方法的时候，编译器会将被 final 修饰过的方法插入到调用者代码处，提高运行速度和效率，但被 final 修饰的方法体不能过大，编译器可能会放弃内联，但究竟多大的方法会放弃，我还没有做测试来计算过。

下面这些内容是通过两个疑问来继续阐述的

使用 final 修饰方法会提高速度和效率吗

见下面的测试代码，我会执行五次：

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("调用不带 final 修饰的方法执行时间为:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "毫秒时间");   
        start = System.currentTimeMillis();   
        String str1 = "Java";   
        String str2 = "final";   
        for (int i = 0; i < 10000; i++)   
        {str1 += str2;}   
        System.out.println("正常的执行时间为:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "毫秒时间");   
        start = System.currentTimeMillis();   
        getJava_Final();   
        System.out.println("调用 final 修饰的方法执行时间为:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "毫秒时间");   
    }   
}  

结果为：第一次：调用不带 final 修饰的方法执行时间为:1732 毫秒时间 
正常的执行时间为:1498 毫秒时间 
调用 final 修饰的方法执行时间为:1593 毫秒时间 
第二次：调用不带 final 修饰的方法执行时间为:1217 毫秒时间 
正常的执行时间为:1031 毫秒时间 
调用 final 修饰的方法执行时间为:1124 毫秒时间 
第三次：调用不带 final 修饰的方法执行时间为:1154 毫秒时间 
正常的执行时间为:1140 毫秒时间 
调用 final 修饰的方法执行时间为:1202 毫秒时间 
第四次：调用不带 final 修饰的方法执行时间为:1139 毫秒时间 
正常的执行时间为:999 毫秒时间 
调用 final 修饰的方法执行时间为:1092 毫秒时间 
第五次：调用不带 final 修饰的方法执行时间为:1186 毫秒时间 
正常的执行时间为:1030 毫秒时间 
调用 final 修饰的方法执行时间为:1109 毫秒时间 

由以上运行结果不难看出，执行最快的是“正常的执行”即代码直接编写，而使用 final 修饰的方法，不像有些书上或者文章上所说的那样，速度与效率与“正常的执行”无异，而是位于第二位，最差的是调用不加 final 修饰的方法。

观点：加了比不加好一点。

使用 final 修饰变量会让变量的值不能被改变吗；

见代码：

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"};   
}  

执行结果：red blue yellow white 
看！，黑色变成了白色。

​
​ 在使用 findbugs 插件时，就会提示 public static String[] color = { “red”, “blue”, “yellow”, “black”}; 这行代码不安全，但加上 final 修饰，这行代码仍然是不安全的，因为 final 没有做到保证变量的值不会被修改！
​
​ 原因是：final 关键字只能保证变量本身不能被赋与新值，而不能保证变量的内部结构不被修改。例如在 main 方法有如下代码 Color.color = new String[]{“”}; 就会报错了。

如何保证数组内部不被修改

那可能有的同学就会问了，加上 final 关键字不能保证数组不会被外部修改，那有什么方法能够保证呢？答案就是降低访问级别，把数组设为 private。这样的话，就解决了数组在外部被修改的不安全性，但也产生了另一个问题，那就是这个数组要被外部使用的。

解决这个问题见代码：

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("为了代码安全, 不能修改数组");   
        }   
        @Override  
        public int size()   
        {return _color.length;}   
    };  

}

这样就 OK 了，既保证了代码安全，又能让数组中的元素被访问了。

final 方法的三条规则

规则 1：final 修饰的方法不可以被重写。

规则 2：final 修饰的方法仅仅是不能重写，但它完全可以被重载。

规则 3：父类中 private final 方法，子类可以重新定义，这种情况不是重写。

代码示例

规则 1 代码

public class FinalMethodTest
{public final void test(){}}
class Sub extends FinalMethodTest
{
    // 下面方法定义将出现编译错误，不能重写 final 方法
    public void test(){}
}

规则 2 代码

public class Finaloverload {
    //final 修饰的方法只是不能重写，完全可以重载
    public final void test(){}
    public final void test(String arg){}}

规则 3 代码

public class PrivateFinalMethodTest
{private final void test(){}}
class Sub extends PrivateFinalMethodTest
{
    // 下面方法定义将不会出现问题
    public void test(){}
}

final 和 jvm 的关系

与前面介绍的锁和 volatile 相比较，对 final 域的读和写更像是普通的变量访问。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。
  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。

下面，我们通过一些示例性的代码来分别说明这两个规则：

<pre>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 
    int b = object.j;                // 读 final 域 
}

}
</pre>

这里假设一个线程 A 执行 writer () 方法，随后另一个线程 B 执行 reader () 方法。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

写 final 域的重排序规则

写 final 域的重排序规则禁止把 final 域的写重排序到构造函数之外。这个规则的实现包含下面 2 个方面：

  • JMM 禁止编译器把 final 域的写重排序到构造函数之外。
  • 编译器会在 final 域的写之后，构造函数 return 之前，插入一个 StoreStore 屏障。这个屏障禁止处理器把 final 域的写重排序到构造函数之外。

现在让我们分析 writer () 方法。writer () 方法只包含一行代码：finalExample = new FinalExample ()。这行代码包含两个步骤：

  1. 构造一个 FinalExample 类型的对象；
  2. 把这个对象的引用赋值给引用变量 obj。

假设线程 B 读对象引用与读对象的成员域之间没有重排序（马上会说明为什么需要这个假设），下图是一种可能的执行时序：

在上图中，写普通域的操作被编译器重排序到了构造函数之外，读线程 B 错误的读取了普通变量 i 初始化之前的值。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。以上图为例，在读线程 B“看到”对象引用 obj 时，很可能 obj 对象还没有构造完成（对普通域 i 的写操作被重排序到构造函数外，此时初始值 2 还没有写入普通域 i）。

读 final 域的重排序规则

读 final 域的重排序规则如下：

  • 在一个线程中，初次读对象引用与初次读该对象包含的 final 域，JMM 禁止处理器重排序这两个操作（注意，这个规则仅仅针对处理器）。编译器会在读 final 域操作的前面插入一个 LoadLoad 屏障。

初次读对象引用与初次读该对象包含的 final 域，这两个操作之间存在间接依赖关系。由于编译器遵守间接依赖关系，因此编译器不会重排序这两个操作。大多数处理器也会遵守间接依赖，大多数处理器也不会重排序这两个操作。但有少数处理器允许对存在间接依赖关系的操作做重排序（比如 alpha 处理器），这个规则就是专门用来针对这种处理器。

reader() 方法包含三个操作：

  1. 初次读引用变量 obj;
  2. 初次读引用变量 obj 指向对象的普通域 j。
  3. 初次读引用变量 obj 指向对象的 final 域 i。

现在我们假设写线程 A 没有发生任何重排序，同时程序在不遵守间接依赖的处理器上执行，下面是一种可能的执行时序：

在上图中，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。读普通域时，该域还没有被写线程 A 写入，这是一个错误的读取操作。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。在这个示例程序中，如果该引用不为 null，那么引用对象的 final 域一定已经被 A 线程初始化过了。

如果 final 域是引用类型

上面我们看到的 final 域是基础数据类型，下面让我们看看如果 final 域是引用类型，将会有什么效果？

请看下列示例代码：

<pre>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
}

}
}
</pre>

这里 final 域为一个引用类型，它引用一个 int 型的数组对象。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：

  1. 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。

对上面的示例程序，我们假设首先线程 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。下面是一种可能的线程执行时序：

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。

如果想要确保读线程 C 看到写线程 B 对数组元素的写入，写线程 B 和读线程 C 之间需要使用同步原语（lock 或 volatile）来确保内存可见性。

参考文章

https://www.infoq.cn/article/…
https://www.jianshu.com/p/067…
https://www.jianshu.com/p/f68…
https://www.cnblogs.com/xiaox…
https://www.iteye.com/blog/ca…
https://blog.csdn.net/chengqi…
https://blog.csdn.net/hupuxia…

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作者是 985 硕士，蚂蚁金服 JAVA 工程师，专注于 JAVA 后端技术栈：SpringBoot、MySQL、分布式、中间件、微服务，同时也懂点投资理财，偶尔讲点算法和计算机理论基础，坚持学习和写作，相信终身学习的力量！

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正文完
发表至： java
2019-09-27
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