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面试题系列：工作5年，第一次这么清醒的理解final关键字？

面试题系列：工作5年，第一次这么清醒的理解final关键字？

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面试题：用过final关键字吗？它有什么作用

面试考察点

考察目的： 了解面试者对Java基础知识的理解

考察人群： 工作1-5年，工作年限越高，对于基础知识理解的深度就越高。

背景知识

final关键字大家都不陌生，但是要达到深度理解，还是欠缺了一些。我们从三个方面去理解final关键字。

  1. final关键字的基本用法
  2. 深度理解final关键字
  3. final关键字的内存屏障语义

final的基本用法

final关键字，在Java中可以修饰类、方法、变量。

  1. 被final修饰的类，表示这个类不可被继承，final类中的成员变量可以根据需要设为final，并且final修饰的类中的所有成员方法都被隐式指定为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。

    public final class TClass {

    public final String test(){
        return "true";
    }
}
public class TCCClass extends TClass{


    public static void main(String[] args) {

    }
}

    上述程序运行得到如下错误：

    java: 无法从最终org.example.cl03.TClass进行继承

  2. 被final修饰的方法，表示该方法无法被重写.其中private方法会被隐式的指定为final方法。

    class SuperClass{
   protected final String getName() {
       return “supper class”;
   }

   @Override
    public String toString() {
        return getName();
    }
}

classSubClass extends SuperClass{
  protected String getName() {
      return “sub class”;
  }
}

    上述代码运行会得到如下错误:

    java: org.example.cl03.TCCClass中的test()无法覆盖org.example.cl03.TClass中的test()
  被覆盖的方法为final

  3. 被final修饰的成员变量是用得最多的地方。

    1. 对于一个final变量，如果是基本数据类型的变量，则其数值一旦在初始化之后便不能更改；final修饰的变量能间接实现常量的功能，而常量是全局的、不可变的，因此我们同时使用static和final来修饰变量，就能达到定义常量的效果。
    2. 如果是引用类型的变量，则在对其初始化之后便不能再让其指向另一个对象。

被final修饰的变量的初始化

  1. 在定义时初始化属性的值

    public class TCCClass {
    private final String name;
    public static void main(String[] args) {

    }
}

    上述代码在运行时会提示如下错误

    java: 变量 name 未在默认构造器中初始化

    修改成下面的方式即可。

    public class TCCClass {
    private final String name="name";
}

  2. 在构造方法中赋值

    public class TCCClass {
    private final String name;
    public TCCClass(String name){
        this.name=name;
    }
}

能够在构造方法中赋值的原因是：对于一个普通成员属性赋值时，必须要先通过构造方法实例化该对象。因此作为该属性唯一的访问入口，JVM允许在构造方法中给final修饰的属性赋值。这个过程并没有违反final的原则。当然如果被修饰final关键字的属性已经初始化了值，是无法再使用构造方法重新赋值的。

反射破坏final规则

基于上述final关键字的基本使用描述，可以知道final修饰的属性是不可变的。

但是，通过反射机制，可以破坏final的规则，代码如下

public class TCCClass {
    private final String name="name";

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        TCCClass tcc=new TCCClass();
        System.out.println(tcc.name);
        Field name=tcc.getClass().getDeclaredField("name");
        name.setAccessible(true);
        name.set(tcc,"mic");
        System.out.println(name.get(tcc));
    }
}

打印结果如下：

name
mic

知识点扩展

上述代码理论上来说应该是下面这种写法，因为通过反射修改tcc实例对象中的name属性后，应该通过实例对象直接打印出name的结果。

public static void main(String[] args) throws Exception {
  TCCClass tcc=new TCCClass();
  System.out.println(tcc.name);
  Field name=tcc.getClass().getDeclaredField("name");
  name.setAccessible(true);
  name.set(tcc,"mic");
  System.out.println(tcc.name); //here
}

但是实际输出结果后，发现tcc.name打印的结果没有变化？

原因是：JVM在编译时期做的深度优化机制, 就把final类型的String进行了优化, 在编译时期就会把String处理成常量，导致打印结果不会发生变化。

为了避免这种深度优化带来的影响，我们还可以把上述代码修改成下面这种形式

public class TCCClass {
    private final String name=(null == null ? "name" : "");

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        TCCClass tcc=new TCCClass();
        System.out.println(tcc.name);
        Field name=tcc.getClass().getDeclaredField("name");
        name.setAccessible(true);
        name.set(tcc,"mic");
        System.out.println(tcc.name);
    }
}

打印结果如下:

name
mic

反射无法修改被final和static同时修饰的变量

把上面的代码修改如下。

public class TCCClass {
    private static final String name=(null == null ? "name" : "");

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        TCCClass tcc=new TCCClass();
        System.out.println(tcc.name);
        Field name=tcc.getClass().getDeclaredField("name");
        name.setAccessible(true);
        name.set(tcc,"mic");
        System.out.println(tcc.name);
    }
}

执行结果,执行之后会报出如下异常, 因为反射无法修改同时被static final修饰的变量:

Exception in thread "main" java.lang.IllegalAccessException: Can not set static final java.lang.String field org.example.cl03.TCCClass.name to java.lang.String
	at sun.reflect.UnsafeFieldAccessorImpl.throwFinalFieldIllegalAccessException(UnsafeFieldAccessorImpl.java:76)
	at sun.reflect.UnsafeFieldAccessorImpl.throwFinalFieldIllegalAccessException(UnsafeFieldAccessorImpl.java:80)
	at sun.reflect.UnsafeQualifiedStaticObjectFieldAccessorImpl.set(UnsafeQualifiedStaticObjectFieldAccessorImpl.java:77)
	at java.lang.reflect.Field.set(Field.java:764)
	at org.example.cl03.TCCClass.main(TCCClass.java:13)

那么被final和static同时修饰的属性，能否被修改呢？答案是可以的！

修改代码如下：

public class TCCClass {
    private static final String name=(null == null ? "name" : "");

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        TCCClass tcc=new TCCClass();
        System.out.println(tcc.name);
        Field name=tcc.getClass().getDeclaredField("name");
        name.setAccessible(true);

        Field modifiers = name.getClass().getDeclaredField("modifiers");
        modifiers.setAccessible(true);
        modifiers.setInt(name, name.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);

        name.set(tcc,"mic");

        modifiers.setInt(name, name.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);

        System.out.println(tcc.name);
    }
}

具体思路是，把被修饰了final关键字的name属性，通过反射的方式去掉final关键字，代码实现

Field modifiers = name.getClass().getDeclaredField("modifiers");
modifiers.setAccessible(true);
modifiers.setInt(name, name.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);

接着通过反射修改name属性，修改成功后，再使用下面代码把final关键字加回来

modifiers.setInt(name, name.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);

为什么局部内部类和匿名内部类只能访问final变量

在了解这个问题之前，我们先来看下面这段代码

    public static void main(String[] args)  {

    }

    public void test(final int b) {
        final int a = 10;
        new Thread(){
            public void run() {
                System.out.println(a);
                System.out.println(b);
            };
        }.start();
    }
}

这段代码被编译后，会生成两个文件: FinalExample.class和FinalExample$1.class（匿名内部类）

image-20211102124604099

通过反编译来看一下FinalExample$1.class这个类

class FinalExample$1 extends Thread {
    FinalExample$1(FinalExample this$0, int var2, int var3) {
        this.this$0 = this$0;
        this.val$a = var2;
        this.val$b = var3;
    }

    public void run() {
        System.out.println(this.val$a);
        System.out.println(this.val$b);
    }
}

我们看到匿名内部类FinalExample$1的构造器含有三个参数，一个是指向外部类对象的引用，另外两个是int型变量，很显然，这里是将变量test方法中的形参b，以及常量a以参数的形式传进来，对匿名内部类中的拷贝（变量a和b的拷贝）进行赋值初始化。

也就是说，在run方法中访问的变量a和b，是局部变量a和b的一个副本，为什么这么设计？

在test方法中，有可能test方法执行结束且a和b的声明周期也结束了，但是Thread这个匿名内部类可能还未执行完，那么在Thread中的run方法中继续使用局部变量a和b就会有问题。但是又要实现这样的效果，怎么办呢？所以Java采用了复制的手段来解决这个问题。

但是这样一来，还是存在一个问题，就是test方法中的成员变量与匿名内部类Thread中的成员变量的副本出现数据不一致怎么办？

这样就达不到原本的意图和要求。为了解决这个问题，java编译器就限定必须将变量a和b限制为final变量，不允许对变量a和b进行更改（对于引用类型的变量，是不允许指向新的对象），这样数据不一致性的问题就得以解决了。

另外，如果我们这么写也是允许的，jvm会隐式给a和b增加final关键字。

public void test(int b) {
  int a = 10;
  new Thread(){
    public void run() {
      System.out.println(a);
      System.out.println(b);
    };
  }.start();
}

final防止指令重排

final关键字，还能防止指令重排序带来的可见性问题；

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。

  1. 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；
  2. 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。

关于指令重排序相关的内容，就不在本篇文章中做展开，在后续的面试题中，会做详细的分析。

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（实际就是常量池）
  • 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

问题解答

面试题：用过final关键字吗？它有什么作用

回答： final关键字表示不可变，它可以修饰在类、方法、成员变量中。

  1. 如果修饰在类上，则表示该类不允许被继承
  2. 修饰在方法上，表示该方法无法被重写
  3. 修饰在变量上，表示该变量无法被修改，而且JVM会隐性定义为一个常量。

另外，final修饰的关键字，还可以避免因为指令重排序带来的可见性问题，原因是，final遵循两个重排序规则

  1. 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。
  2. 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。

问题总结

恰恰是平时经常使用的一些工具或者技术，所涉及到的知识点越多。

就这个问题来说，在面试时的考察点太多了，比如：

  1. 如何破坏final规则
  2. 带static和final修饰的属性，可以被修改吗？
  3. final是否可以解决可见性问题，以及它是如何解决的？

因此，要想在面试时从容应对，一定要具备体系化的技术理解，避免面试时各种”不清楚“、”不了解“之类的尴尬！

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