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。
    \```java 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:   ```txt   java: 无法从最终org.example.cl03.TClass进行继承
  1. 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
  2. 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:

namemic
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:
namemic

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)

img

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ab的拷贝)进行赋值初始化。

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

test方法中,有可能test方法执行结束且ab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ab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ab限制为final变量,不允许对变量ab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ab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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