final 是 Java 中的关键字,它也是 Java 中很重要的一个关键字,final 修饰的类、方法、变量有不同的含义;finally 也是一个关键字,不过我们可以使用 finally 和其他关键字结合做一些组合操作; finalize 是一个不让人待见的方法,它是对象祖宗 Object 中的一个方法,finalize 机制现在已经不推荐使用了。本篇文章,cxuan 就带你从这三个关键字入手,带你从用法、应用、原理的角度带你深入浅出理解这三个关键字。

final、finally 和 finalize

我相信在座的各位都是资深程序员,final 这种基础关键字就不用多说了。不过,还是要照顾一下小白读者,毕竟我们都是从小白走过来的嘛。

final 修饰类、属性和方法

final 可以用来修饰类,final 修饰的类不允许其他类继承,也就是说,final 修饰的类是独一无二的。如下所示

我们首先定义了一个 FinalUsage 类,它使用 final 修饰,同时我们又定义了一个 FinalUsageExtend 类,它想要继承(extend) FinalUsage,我们如上继承后,编译器不让我们这么玩儿,它提示我们 不能从 FinalUsage 类继承,为什么呢?不用管,这是 Java 的约定,有一些为什么没有必要,遵守就行。

final 可以用来修饰方法,final 修饰的方法不允许被重写,我们先演示一下不用 final 关键字修饰的情况

如上图所示,我们使用 FinalUsageExtend 类继承了 FinalUsage 类,并提供了 writeArticle 方法的重写。这样编译是没有问题的,重写的关键点是 @Override 注解和方法修饰符、名称、返回值的一致性。

注意:很多程序员在重写方法的时候都会忽略 @Override,这样其实无疑增加了代码阅读的难度,不建议这样。

当我们使用 final 修饰方法后,这个方法则不能被重写,如下所示

当我们把 writeArticle 方法声明为 void 后,重写的方法会报错,无法重写 writeArticle 方法。

final 可以修饰变量,final 修饰的变量一经定义后就不能被修改,如下所示

编译器提示的错误正是不能继承一个被 final 修饰的类。

我们上面使用的是字符串 String ,String 默认就是 final 的,其实用不用 final 修饰意义不大,因为字符串本来就不能被改写,这并不能说明问题。

我们改写一下,使用基本数据类型来演示

同样的可以看到,编译器仍然给出了 age 不能被改写的提示,由此可以证明,final 修饰的变量不能被重写。

在 Java 中不仅仅只有基本数据类型,还有引用数据类型,那么引用类型被 final 修饰后会如何呢?我们看一下下面的代码

首先构造一个 Person

public class Person {
    int id;
    String name;
    get() and set() ...
    toString()...
}

然后我们定义一个 final 的 Person 变量。

static final Person person = new Person(25,"cxuan");

public static void main(String[] args) {

  System.out.println(person);
  person.setId(26);
  person.setName("cxuan001");
  System.out.println(person);
}

输出一下,你会发现一个奇怪的现象,为什么我们明明改了 person 中的 id 和 name ,编译器却没有报错呢?

这是因为,final 修饰的引用类型,只是保证对象的引用不会改变。对象内部的数据可以改变。这就涉及到对象在内存中的分配问题,我们后面再说。

finally 保证程序一定被执行

finally 是保证程序一定执行的机制,同样的它也是 Java 中的一个关键字,一般来讲,finally 一般不会单独使用,它一般和 try 块一起使用,例如下面是一段 try…finally 代码块

try{
  lock.lock();
}finally {
  lock.unlock();
}

这是一段加锁/解锁的代码示例,在 lock 加锁后,在 finally 中执行解锁操作,因为 finally 能够保证代码一定被执行,所以一般都会把一些比较重要的代码放在 finally 中,例如解锁操作、流关闭操作、连接释放操作等。

当 lock.lock() 产生异常时还可以和 try...catch...finally 一起使用

try{
  lock.lock();
}catch(Exception e){
  e.printStackTrace();
}finally {
  lock.unlock();
}

try…finally 这种写法适用于 JDK1.7 之前,在 JDK1.7 中引入了一种新的关闭流的操作,那就是 try...with...resources,Java 引入了 try-with-resources 声明,将 try-catch-finally 简化为 try-catch,这其实是一种语法糖,并不是多了一种语法。try…with…resources 在编译时还是会进行转化为 try-catch-finally 语句。

语法糖(Syntactic sugar),也译为糖衣语法,是指计算机语言中添加的某种语法,这种语法对语言的功能并没有影响,但是更方便程序员使用。通常来说使用语法糖能够增加程序的可读性,从而减少程序代码出错的机会。

在 Java 中,有一些为了简化程序员使用的语法糖,后面有机会我们再谈。

finalize 的作用

finalize 是祖宗类 Object类的一个方法,它的设计目的是保证对象在垃圾收集前完成特定资源的回收。finalize 现在已经不再推荐使用,在 JDK 1.9 中已经明确的被标记为 deprecated

深入理解 final 、finally 和 finalize

final 设计

许多编程语言都会有某种方法来告知编译器,某一块数据是恒定不变的。有时候恒定不变的数据很有用,比如

  • 一个永不改变的编译期常量 。例如 static final int num = 1024
  • 一个运行时被初始化的值,而且你不希望改变它

final 的设计会和 abstract 的设计产生冲突,因为 abstract 关键字主要修饰抽象类,而抽象类需要被具体的类所实现。final 表示禁止继承,也就不会存在被实现的问题。因为只有继承后,子类才可以实现父类的方法。

类中的所有 private 都隐式的指定为 final 的,在 private 修饰的代码中使用 final 并没有额外的意义。

空白 final

Java 是允许空白 final 的,空白 final 指的是声明为 final ,但是却没有对其赋值使其初始化。但是无论如何,编译器都需要初始化 final,所以这个初始化的任务就交给了构造器来完成,空白 final 给 final 提供了更大的灵活性。如下代码

public class FinalTest {

   final Integer finalNum;

   public FinalTest(){
       finalNum = 11;
   }

   public FinalTest(int num){
       finalNum = num;
   }

    public static void main(String[] args) {
        new FinalTest();
        new FinalTest(25);
    }
}

在不同的构造器中对不同的 final 进行初始化,使 finalNum 的使用更加灵活。

使用 final 的方法主要有两个:不可变效率

  • 不可变:不可变说的是把方法锁定(注意不是加锁),重在防止其他方法重写。
  • 效率:这个主要是针对 Java 早期版本来说的,在 Java 早期实现中,如果将方法声明为 final 的,就是同意编译器将对此方法的调用改为内嵌调用,但是却没有带来显著的性能优化。这种调用就比较鸡肋,在 Java5/6 中,hotspot 虚拟机会自动探测到内嵌调用,并把它们优化掉,所以使用 final 修饰的方法就主要有一个:不可变。

注意:final 不是 Immutable 的,Immutable 才是真正的不可变。

final 不是真正的 Immutable,因为 final 关键字引用的对象是可以改变的。如果我们真的希望对象不可变,通常需要相应的类支持不可变行为,比如下面这段代码

final List<String> fList = new ArrayList();
fList.add("Hello");
fList.add("World");
List unmodfiableList = List.of("hello","world");
unmodfiableList.add("again");

List.of 方法创建的就是不可变的 List。不可变 Immutable 在很多情况下是很好的选择,一般来说,实现 Immutable 需要注意如下几点

  • 将类声明为 final,防止其他类进行扩展。
  • 将类内部的成员变量(包括实例变量和类变量)声明为 privatefinal 的,不要提供可以修改成员变量的方法,也就是 setter 方法。
  • 在构造对象时,通常使用 deep-clone ,这样有助于防止在直接对对象赋值时,其他人对输入对象的修改。
  • 坚持 copy-on-write 原则,创建私有的拷贝。

final 能提高性能吗?

final 能否提高性能一直是业界争论的点,很多􏲠􏳁书籍中都􏰧􏰨介绍了可以在特定场景􏱃􏱄提高性能,例如 final 可能用于帮助 JVM 将方法进行内联,可以改造􏳂编译器进行􏲡编译􏳃的能力等等,但这些结论很多都是基于假设作出的。

或许 R 大这篇回答会给我们一些结论 https://www.zhihu.com/question/21762917

大致说的就是无论局部变量声明时带不带 final 关键字修饰,对其访问的效率都一样

比如下面这段代码(不带 final 的版本)

static int foo() {
  int a = someValueA();
  int b = someValueB();
  return a + b; // 这里访问局部变量
}

带 final 的版本

static int foo() {
  final int a = someValueA();
  final int b = someValueB();
  return a + b; // 这里访问局部变量
}

使用 javac 编译后得出来的结果一摸一样。

invokestatic someValueA:()I
istore_0 // 设置a的值
invokestatic someValueB:()I
istore_1 // 设置b的值
iload_0  // 读取a的值
iload_1  // 读取b的值
iadd
ireturn

因为上面是使用引用类型,所以字节码相同。

如果是常量类型,我们看一下

// 带 final
static int foo(){

  final int a = 11;
  final int b = 12;

  return a + b;

}

// 不带 final
static int foo(){

  int a = 11;
  int b = 12;

  return a + b;

}

我们分别编译一下两个 foo 方法,会发现如下字节码

左边是非 final 关键字修饰的代码,右边是有 final 关键字修饰的代码,对比这两个字节码,可以得出如下结论。

  • 不管有没有 final 修饰 ,int a = 11 或者 int a = 12 都当作常量看待。
  • 在 return 返回处,不加 final 的 a + b 会当作变量来处理;加 final 修饰的 a + b 会直接当作常量处理。

其实这种层面上的差异只对比较简易的 JVM 影响较大,因为这样的 VM 对解释器的依赖较大,原本 Class 文件里的字节码是怎样的它就怎么执行;对高性能的 JVM(例如 HotSpot、J9 等)则没啥影响。

所以,大部分 final 对性能优化的影响,可以直接忽略,我们使用 final 更多的考量在于其不可变性。

深入理解 finally

我们上面大致聊到了 finally 的使用,其作用就是保证在 try 块中的代码执行完成之后,必然会执行 finally 中的语句。不管 try 块中是否抛出异常。

那么下面我们就来深入认识一下 finally ,以及 finally 的字节码是什么,以及 finally 究竟何时执行的本质。

  • 首先我们知道 finally 块只会在 try 块执行的情况下才执行,finally 不会单独存在

这个不用再过多解释,这是大家都知道的一条规则。finally 必须和 try 块或者 try catch 块一起使用。

  • 其次,finally 块在离开 try 块执行完成后或者 try 块未执行完成但是接下来是控制转移语句时(return/continue/break)在控制转移语句之前执行

这一条其实是说明 finally 的执行时机的,我们以 return 为例来看一下是不是这么回事。

如下这段代码

static int mayThrowException(){
  try{
    return 1;
  }finally {
    System.out.println("finally");
  }
}

public static void main(String[] args) {
  System.out.println(FinallyTest.mayThrowException());
}

从执行结果可以证明是 finally 要先于 return 执行的。

当 finally 有返回值时,会直接返回。不会再去返回 try 或者 catch 中的返回值。

static int mayThrowException(){
  try{
    return 1;
  }finally {
    return 2;
  }
}

public static void main(String[] args) {
  System.out.println(FinallyTest.mayThrowException());
}
  • 在执行 finally 语句之前,控制转移语句会将返回值存在本地变量中

看下面这段代码

static int mayThrowException(){
  int i = 100;
  try {
    return i;
  }finally {
    ++i;
  }
}

public static void main(String[] args) {
  System.out.println(FinallyTest.mayThrowException());
}

上面这段代码能够说明 return i 是先于 ++i 执行的,而且 return i 会把 i 的值暂存,和 finally 一起返回。

finally 的本质

下面我们来看一段代码

public static void main(String[] args) {

  int a1 = 0;
  try {
    a1 = 1;
  }catch (Exception e){
    a1 = 2;
  }finally {
    a1 = 3;
  }

  System.out.println(a1);
}

这段代码输出的结果是什么呢?答案是 3,为啥呢?

抱着疑问,我们先来看一下这段代码的字节码

字节码的中文注释我已经给你标出来了,这里需要注意一下下面的 Exception table,Exception table 是异常表,异常表中每一个条目代表一个异常发生器,异常发生器由 From 指针,To 指针,Target 指针和应该捕获的异常类型构成。

所以上面这段代码的执行路径有三种

  • 如果 try 语句块中出现了属于 exception 及其子类的异常,则跳转到 catch 处理
  • 如果 try 语句块中出现了不属于 exception 及其子类的异常,则跳转到 finally 处理
  • 如果 catch 语句块中新出现了异常,则跳转到 finally 处理

聊到这里,我们还没说 finally 的本质到底是什么,仔细观察一下上面的字节码,你会发现其实 finally 会把 a1 = 3 的字节码 iconst_3 和 istore_1 放在 try 块和 catch 块的后面,所以上面这段代码就形同于

public static void main(String[] args) {

  int a1 = 0;
  try {
    a1 = 1;
        // finally a1 = 3
  }catch (Exception e){
    a1 = 2;
    // finally a1 = 3
  }finally {
    a1 = 3;
  }
  System.out.println(a1);
}

上面中的 Exception table 是只有 Throwable 的子类 exception 和 error 才会执行异常走查的异常表,正常情况下没有 try 块是没有异常表的,下面来验证一下

public static void main(String[] args) {
  int a1 = 1;
  System.out.println(a1);
}

比如上面我们使用了一段非常简单的程序来验证,编译后我们来看一下它的字节码

可以看到,果然没有异常表的存在。

finally 一定会执行吗

上面我们讨论的都是 finally 一定会执行的情况,那么 finally 一定会被执行吗?恐怕不是。

除了机房断电、机房爆炸、机房进水、机房被雷劈、强制关机、拔电源之外,还有几种情况能够使 finally 不会执行。

  • 调用 System.exit 方法

  • 调用 Runtime.getRuntime().halt(exitStatus) 方法

  • JVM 宕机(搞笑脸)

  • 如果 JVM 在 try 或 catch 块中达到了无限循环(或其他不间断,不终止的语句)

  • 操作系统是否强行终止了 JVM 进程;例如,在 UNIX 上执行 kill -9 pid

  • 如果主机系统死机;例如电源故障,硬件错误,操作系统死机等不会执行

  • 如果 finally 块由守护程序线程执行,那么所有非守护线程在 finally 调用之前退出。

finalize 真的没用吗

我们上面简单介绍了一下 finalize 方法,并说明了它是一种不好的实践。那么 finalize 调用的时机是什么?为什么说 finalize 没用呢?

我们知道,Java 与 C++ 一个显著的区别在于 Java 能够自动管理内存,在 Java 中,由于 GC 的自动回收机制,因而并不能保证 finalize 方法会被及时地执行(垃圾对象的回收时机具有不确定性),也不能保证它们会被执行。

也就是说,finalize 的执行时期不确定,我们并不能依赖于 finalize 方法帮我们进行垃圾回收,可能出现的情况是在我们耗尽资源之前,gc 却仍未触发,所以推荐使用资源用完即显示释放的方式,比如 close 方法。除此之外,finalize 方法也会生吞异常。

finalize 的工作方式是这样的:一旦垃圾回收器准备好释放对象占用的存储空间,将会首先调用 finalize 方法,并且在下一次垃圾回收动作发生时,才会真正回收对象占用的内存。垃圾回收只与内存有关

我们在日常开发中并不提倡使用 finalize 方法,能用 finalize 方法的地方,使用 try…finally 会处理的更好。