第3讲讲谈谈final、finally、finalize有什么不同

Java语言有很多看起来很相似,但是用途却完全不同的语言要素,这些内容往往容易成为面试官考察你知识掌握程度的切入点。

今天,我要问你的是一个经典的Java基础题目,谈谈final、finally、 finalize有什么不同?

典型回答

final可以用来修饰类、方法、变量,分别有不同的意义,final修饰的class代表不可以继承扩展,final的变量是不可以修改的,而final的方法也是不可以重写的(override)。

finally则是Java保证重点代码一定要被执行的一种机制。我们可以使用try-finally或者try-catch-finally来进行类似关闭JDBC连接、保证unlock锁等动作。

finalize是基础类java.lang.Object的一个方法,它的设计目的是保证对象在被垃圾收集前完成特定资源的回收。finalize机制现在已经不推荐使用,并且在JDK 9开始被标记为deprecated。

考点分析

这是一个非常经典的Java基础问题,我上面的回答主要是从语法和使用实践角度出发的,其实还有很多方面可以深入探讨,面试官还可以考察你对性能、并发、对象生命周期或垃圾收集基本过程等方面的理解。

推荐使用final关键字来明确表示我们代码的语义、逻辑意图,这已经被证明在很多场景下是非常好的实践,比如:

  • 我们可以将方法或者类声明为final,这样就可以明确告知别人,这些行为是不许修改的。

如果你关注过Java核心类库的定义或源码, 有没有发现java.lang包下面的很多类,相当一部分都被声明成为final class?在第三方类库的一些基础类中同样如此,这可以有效避免API使用者更改基础功能,某种程度上,这是保证平台安全的必要手段。

  • 使用final修饰参数或者变量,也可以清楚地避免意外赋值导致的编程错误,甚至,有人明确推荐将所有方法参数、本地变量、成员变量声明成final。

  • final变量产生了某种程度的不可变(immutable)的效果,所以,可以用于保护只读数据,尤其是在并发编程中,因为明确地不能再赋值final变量,有利于减少额外的同步开销,也可以省去一些防御性拷贝的必要。

final也许会有性能的好处,很多文章或者书籍中都介绍了可在特定场景提高性能,比如,利用final可能有助于JVM将方法进行内联,可以改善编译器进行条件编译的能力等等。坦白说,很多类似的结论都是基于假设得出的,比如现代高性能JVM(如HotSpot)判断内联未必依赖final的提示,要相信JVM还是非常智能的。类似的,final字段对性能的影响,大部分情况下,并没有考虑的必要。

从开发实践的角度,我不想过度强调这一点,这是和JVM的实现很相关的,未经验证比较难以把握。我的建议是,在日常开发中,除非有特别考虑,不然最好不要指望这种小技巧带来的所谓性能好处,程序最好是体现它的语义目的。如果你确实对这方面有兴趣,可以查阅相关资料,我就不再赘述了,不过千万别忘了验证一下。

对于finally,明确知道怎么使用就足够了。需要关闭的连接等资源,更推荐使用Java 7中添加的try-with-resources语句,因为通常Java平台能够更好地处理异常情况,编码量也要少很多,何乐而不为呢。

另外,我注意到有一些常被考到的finally问题(也比较偏门),至少需要了解一下。比如,下面代码会输出什么?

try {
  // do something
  System.exit(1);
} finally{
  System.out.println(“Print from finally”);
}

上面finally里面的代码可不会被执行的哦,这是一个特例。

对于finalize,我们要明确它是不推荐使用的,业界实践一再证明它不是个好的办法,在Java 9中,甚至明确将Object.finalize()标记为deprecated!如果没有特别的原因,不要实现finalize方法,也不要指望利用它来进行资源回收。

为什么呢?简单说,你无法保证finalize什么时候执行,执行的是否符合预期。使用不当会影响性能,导致程序死锁、挂起等。

通常来说,利用上面的提到的try-with-resources或者try-finally机制,是非常好的回收资源的办法。如果确实需要额外处理,可以考虑Java提供的Cleaner机制或者其他替代方法。接下来,我来介绍更多设计考虑和实践细节。

知识扩展

1.注意,final不是immutable!

我在前面介绍了final在实践中的益处,需要注意的是,final并不等同于immutable,比如下面这段代码:

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

final只能约束strList这个引用不可以被赋值,但是strList对象行为不被final影响,添加元素等操作是完全正常的。如果我们真的希望对象本身是不可变的,那么需要相应的类支持不可变的行为。在上面这个例子中,List.of方法创建的本身就是不可变List,最后那句add是会在运行时抛出异常的。

Immutable在很多场景是非常棒的选择,某种意义上说,Java语言目前并没有原生的不可变支持,如果要实现immutable的类,我们需要做到:

  • 将class自身声明为final,这样别人就不能扩展来绕过限制了。

  • 将所有成员变量定义为private和final,并且不要实现setter方法。

  • 通常构造对象时,成员变量使用深度拷贝来初始化,而不是直接赋值,这是一种防御措施,因为你无法确定输入对象不被其他人修改。

  • 如果确实需要实现getter方法,或者其他可能会返回内部状态的方法,使用copy-on-write原则,创建私有的copy。

这些原则是不是在并发编程实践中经常被提到?的确如此。

关于setter/getter方法,很多人喜欢直接用IDE一次全部生成,建议最好是你确定有需要时再实现。

2.finalize真的那么不堪?

前面简单介绍了finalize是一种已经被业界证明了的非常不好的实践,那么为什么会导致那些问题呢?

finalize的执行是和垃圾收集关联在一起的,一旦实现了非空的finalize方法,就会导致相应对象回收呈现数量级上的变慢,有人专门做过benchmark,大概是40~50倍的下降。

因为,finalize被设计成在对象被垃圾收集前调用,这就意味着实现了finalize方法的对象是个“特殊公民”,JVM要对它进行额外处理。finalize本质上成为了快速回收的阻碍者,可能导致你的对象经过多个垃圾收集周期才能被回收。

有人也许会问,我用System.runFinalization​()告诉JVM积极一点,是不是就可以了?也许有点用,但是问题在于,这还是不可预测、不能保证的,所以本质上还是不能指望。实践中,因为finalize拖慢垃圾收集,导致大量对象堆积,也是一种典型的导致OOM的原因。

从另一个角度,我们要确保回收资源就是因为资源都是有限的,垃圾收集时间的不可预测,可能会极大加剧资源占用。这意味着对于消耗非常高频的资源,千万不要指望finalize去承担资源释放的主要职责,最多让finalize作为最后的“守门员”,况且它已经暴露了如此多的问题。这也是为什么我推荐,资源用完即显式释放,或者利用资源池来尽量重用

finalize还会掩盖资源回收时的出错信息,我们看下面一段JDK的源代码,截取自java.lang.ref.Finalizer

 private void runFinalizer(JavaLangAccess jla) {
 //  ... 省略部分代码
 try {
    Object finalizee = this.get(); 
    if (finalizee != null && !(finalizee instanceof java.lang.Enum)) {
       jla.invokeFinalize(finalizee);
       // Clear stack slot containing this variable, to decrease
       // the chances of false retention with a conservative GC
       finalizee = null;
    }
  } catch (Throwable x) { }
    super.clear(); 
 }

结合我上期专栏介绍的异常处理实践,你认为这段代码会导致什么问题?

是的,你没有看错,这里的Throwable是被生吞了的!也就意味着一旦出现异常或者出错,你得不到任何有效信息。况且,Java在finalize阶段也没有好的方式处理任何信息,不然更加不可预测。

3.有什么机制可以替换finalize吗?

Java平台目前在逐步使用java.lang.ref.Cleaner来替换掉原有的finalize实现。Cleaner的实现利用了幻象引用(PhantomReference),这是一种常见的所谓post-mortem清理机制。我会在后面的专栏系统介绍Java的各种引用,利用幻象引用和引用队列,我们可以保证对象被彻底销毁前做一些类似资源回收的工作,比如关闭文件描述符(操作系统有限的资源),它比finalize更加轻量、更加可靠。

吸取了finalize里的教训,每个Cleaner的操作都是独立的,它有自己的运行线程,所以可以避免意外死锁等问题。

实践中,我们可以为自己的模块构建一个Cleaner,然后实现相应的清理逻辑。下面是JDK自身提供的样例程序:

public class CleaningExample implements AutoCloseable {
        // A cleaner, preferably one shared within a library
        private static final Cleaner cleaner = <cleaner>;
        static class State implements Runnable { 
            State(...) {
                // initialize State needed for cleaning action
            }
            public void run() {
                // cleanup action accessing State, executed at most once
            }
        }
        private final State;
        private final Cleaner.Cleanable cleanable
        public CleaningExample() {
            this.state = new State(...);
            this.cleanable = cleaner.register(this, state);
        }
        public void close() {
            cleanable.clean();
        }
    }

注意,从可预测性的角度来判断,Cleaner或者幻象引用改善的程度仍然是有限的,如果由于种种原因导致幻象引用堆积,同样会出现问题。所以,Cleaner适合作为一种最后的保证手段,而不是完全依赖Cleaner进行资源回收,不然我们就要再做一遍finalize的噩梦了。

我也注意到很多第三方库自己直接利用幻象引用定制资源收集,比如广泛使用的MySQL JDBC driver之一的mysql-connector-j,就利用了幻象引用机制。幻象引用也可以进行类似链条式依赖关系的动作,比如,进行总量控制的场景,保证只有连接被关闭,相应资源被回收,连接池才能创建新的连接。

另外,这种代码如果稍有不慎添加了对资源的强引用关系,就会导致循环引用关系,前面提到的MySQL JDBC就在特定模式下有这种问题,导致内存泄漏。上面的示例代码中,将State定义为static,就是为了避免普通的内部类隐含着对外部对象的强引用,因为那样会使外部对象无法进入幻象可达的状态。

今天,我从语法角度分析了final、finally、finalize,并从安全、性能、垃圾收集等方面逐步深入,探讨了实践中的注意事项,希望对你有所帮助。

一课一练

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗?也许你已经注意到了,JDK自身使用的Cleaner机制仍然是有缺陷的,你有什么更好的建议吗?

请你在留言区写写你的建议,我会选出经过认真思考的留言,送给你一份学习鼓励金,欢迎你与我一起讨论。

你的朋友是不是也在准备面试呢?你可以“请朋友读”,把今天的题目分享给好友,或许你能帮到他。

精选留言

  • sharp
    这三个就是卡巴斯基和巴基斯坦的关系,有个基巴关系。。。
    2018-06-12 01:46
  • zjh
    一直不懂为什么这三个经常拿来一起比较,本身就一点关系都没有啊,难道仅仅是长的像。我觉得final倒是可以和volatile一起比较下
    2018-05-11 08:47
  • 石头狮子
    列几个 fianlly 不会被执行的情况:
    1. try-cach 异常退出。
    try{
    system.exit(1)
    }finally{
    print(abc)
    }

    2. 无限循环
    try{
    while(ture){
    print(abc)
    }
    }finally{
    print(abc)
    }

    3. 线程被杀死
    当执行 try,finally 的线程被杀死时。finally 也无法执行。


    总结
    1,不要在 finally 中使用 return 语句。
    2,finally 总是执行,除非程序或者线程被中断。
    2018-05-10 11:18
  • WolvesLeader
    能不能帮我分析一哈,匿名内部累,访问局部变量时,局部变量为啥要用final来修饰吗?
    2018-05-10 11:21
    作者回复

    这个因为Java inner class实际会copy一份,不是去直接使用局部变量,final可以防止出现数据一致性问题

    2018-05-10 23:18

  • ★神峰★
    你们都看懂了吗?我怎么什么都不知道😂
    2018-05-12 14:36
  • 云学
    请问这篇文章中涉及的知识点是java中最重要的吗?我感觉有点剑走偏锋,这种知识了解就好了,应该有很多知识比这更重要的吧,虽说面试中可能会问,但不能以面试为中心,而要把实际应用中最有用的真正核心的东西分享出来,把它讲透彻,不追求面面俱到,也不想成为语言专家,我期望通过这个专栏可以获得java中最核心最实用特性的本质认识,希望有一种醍醐灌顶的感觉,在阅读java开源框架代码时不再困惑。我有多年的c++开发背景,希望通过这个专栏对java也有提纲契领的本质认识。
    2018-06-12 20:56
  • 有渔@蔡
    1.你说那异常被生吞,是指没写e.print...语句吧?另外我有个疑惑:super.clear()为什么写在exception里,理论上super方法写第一行,或finally里。2.在一个对象的生命周期里,其finalize方法应该只会被调用1次。3.强软弱虚引用大家都知道,这虚幻引用相比较有什么特别的吗?请再深入点。4.final是不是都在编译后确定位置?比如final List这样的,内存布局是怎样的?谢谢
    2018-05-10 08:35
  • 皮卡皮卡丘
    “将 State 定义为 static,就是为了避免普通的内部类隐含着对外部对象的强引用,因为那样会使外部对象无法进入幻象可达的状态。”这个该怎么理解呢?
    2018-05-10 08:16
    作者回复

    内部类如果不是static,它本身对外面那个类有引用关系,这一点其实从构造阶段就能看出来,你可以写段代码试试;有强引用就是strong reachable状态

    2018-05-11 11:35

  • Hesher
    见过一些写法是将对象手动赋值为null来让GC更快的回收,不过能起多少作用就不知道了。关于JVM中那几种引用了解不多,平时可以怎么使用呢?
    2018-05-10 08:33
  • 小哥。
    copy-on-write 原则,学习了
    2018-05-10 08:10
  • Monday
    前提本节听了4遍,看了不下3遍,所花的时间大于4小时,写点心得与疑问。
    一道如此“简单”的面试题,能够引申出性能、安全、GC的问题,再扩展出一些我以前没接触过或知之甚少的知识点,如Cleaner、try-catch-resources、编写immutable对象、幻象引用等等。
    还有一些读起来很简单的语句,消化起来却很吃力,如:你无法保证finalize什么时候执行,执行是否符合预期。使用不当会影响性能,导致程序死锁,挂起等。又如:final class可以有效的避免API使用者更改基础功能,某种程度上,这是保证平台安全的必要手段。
    疑问如下:
    1、本文中自己不熟悉的知识点,需要每一种都花时间去死扣吗?
    2、finalize使用不当会影响性能,导致程序死锁,挂起等,可否举几个通俗易懂的案例?
    3、final class可以有效的避免API使用者更改基础功能,某种程度上,这是保证平台安全的必要手段。可否举知名案例证实若某类不设计为final class会导致更改其原有功能,进而影响平台安全?
    2018-09-26 00:49
  • 🎵Children乏
    用final修饰的class,这可以有效避免 API 使用者更改基础功能,某种程度上,这是保证平台安全的必要手段。这个地方真的很需要个例子去帮助理解。比如大家都知道String类是被final修饰不可被继承,但假如没有被final修饰,很好奇会出现什么样不安全的后果。
    2018-05-14 00:32
    作者回复

    谢谢反馈

    2018-05-14 12:54

  • ls
    Java中有说:finalize 有一种用途:在 Java 中调用非 Java 代码,在非 Java 代码中若调用了C的 malloc 来分配内存,如果不调用 C 的free 函数,会导致内存泄露。所以需要在 finalize 中调用它。

    面试中会有问:为什么 String 会设计成不可变?想听听老师的解释
    2018-05-13 16:30
    作者回复

    是的,很多资源都是需要使用本地方式获取和释放

    2018-05-14 12:28

  • refusecruder
    杨老师,关于final不能修改我想请教下,代码如下,class util {
    public final Integer info = 123;
    }

    @Test
    public void test() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    util util = new util();
    Field field = util.getClass().getDeclaredField("info");
    field.setAccessible(true);
    field.set(util,789);
    System.out.println(field.get(util));
    System.out.println(util.info);
    }
    这里final修饰的被改了,如果不加accessible这句会报错,刚刚试了几个,似乎是基本数据类型改不了,封装类型都能改,请杨老师解答下我的疑惑,感谢。
    2018-05-10 12:50
    作者回复

    setAccessible是“流氓”,不问题出在定义为基本数据类型,会被当作constant,可以反编译看看

    2018-05-10 22:24

  • 公号-Java大后端
    1定义不可变对象类,当构造函数传入可变对象引用时、当getter函数返回可变对象引用时,容易掉坑。
    2 在不可变对象类的构造函数中,如果传入值包括了可变对象,则clone先。
    3 从不可变对象类的getter函数返回前,如果返回值为可变对象,则clone先。
    4 Java默认的clone方法执行浅拷贝,对于数组、对象引用只是拷贝地址。浅拷贝在业务实现中可能是一个坑,需要多加注意。
    5 如果步骤2、3中的浅拷贝无法满足不可变对象要求,请实现“深拷贝”。

    2018-05-10 20:12
  • Do
    final修饰变量参数的时候,其实理解为内存地址的绑定,这样理解是不是更直观,基本类型指向栈中,引用类型指向堆中。老师后期文章能不能说下java堆栈的区别,还有变量局部变量的生命周期,最好能附上图,加深理解。
    2018-05-12 01:14
    作者回复

    会有

    2018-05-12 13:15

  • echo_陈
    回答上面一个人的问题。
    被final修饰的变量不可变。如果初始化不赋值,后续赋值,就是从null变成你的赋值,违反不可变
    2018-05-10 10:05
  • jeff
    回答张勇的问题
    注意你的final 值得作用域 生命周期

    2018-05-17 09:43
  • 张勇
    匿名内部类为什么访问外部类局部变量必须是final的?private Animator createAnimatorView(final View view, final int position) {
    MyAnimator animator = new MyAnimator();
    animator.addListener(new AnimatorListener() {
    @Override
    public void onAnimationEnd(Animator arg0) {
    Log.d(TAG, "position=" + position);
    }
    });
    return animator;
    }
    2018-05-11 12:06
    作者回复

    文中介绍了,它其实实现是会copy一份,final可以避免一致性问题

    2018-05-11 12:58

  • 小绵羊拉拉
    首先 这篇文章比上一讲明显感觉到由浅入深 很不错 有个问题请教一下finalize方法是用来回收对外内存是不是可以这么理解 类似于本地方法申请的能源 new出来的对象实现了这个方法当垃圾回收的时候会将对象放在fqueue等待被执行 不过是异步不知道啥时候被执行 可能被执行的时候对象已经置空导致不安全 可以这么理解吗 新的jdk引入的clear方法 能完全取代虚拟机中finalize方法吗
    2018-05-10 21:52