• JAVA程序员面试必问之-谈谈 final、finally、 finalize 有什么不同
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  • 赖素素
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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?

一、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。

二、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。

三、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。
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