final关键字的字面意思是最终的, 不可修改的. 这似乎是一个看见名字就大概能知道怎么用的语法, 但你是否有深究过final在各个场景中的具体使用方法, 注意事项, 以及背后涉及的Java设计思想呢?

一. final修饰变量

1. 基础: final修饰基本数据类型变量和引用数据类型变量.

相信大家都具备基本的常识: 被final修饰的变量是不能够被改变的. 但是这里的”不能够被改变”对于不同的数据类型是有不同的含义的.
当final修饰的是一个基本数据类型数据时, 这个数据的值在初始化后将不能被改变; 当final修饰的是一个引用类型数据时, 也就是修饰一个对象时, 引用在初始化后将永远指向一个内存地址, 不可修改. 但是该内存地址中保存的对象信息, 是可以进行修改的.
上一段话可能比较抽象, 希望下面的图能有助于你理解, 你会发现虽说有不同的含义, 但本质还是一样的.
首先是final修饰基本数据类型时的内存示意图

如上图, 变量a在初始化后将永远指向003这块内存, 而这块内存在初始化后将永远保存数值100.
下面是final修饰引用数据类型的示意图

在上图中, 变量p指向了0003这块内存, 0003内存中保存的是对象p的句柄(存放对象p数据的内存地址), 这个句柄值是不能被修改的, 也就是变量p永远指向p对象. 但是p对象的数据是可以修改的.

// 代码示例
public static void main(String[] args) {
    final Person p = new Person(20, "炭烧生蚝");
    p.setAge(18);   //可以修改p对象的数据
    System.out.println(p.getAge()); //输出18

    Person pp = new Person(30, "蚝生烧炭");
    p = pp; //这行代码会报错, 不能通过编译, 因为p经final修饰永远指向上面定义的p对象, 不能指向pp对象. 
}

不难看出final修饰变量的本质: final修饰的变量会指向一块固定的内存, 这块内存中的值不能改变.
引用类型变量所指向的对象之所以可以修改, 是因为引用变量不是直接指向对象的数据, 而是指向对象的引用的. 所以被final修饰的引用类型变量将永远指向一个固定的对象, 不能被修改; 对象的数据值可以被修改.

2. 进阶: 被final修饰的常量在编译阶段会被放入常量池中

final是用于定义常量的, 定义常量的好处是: 不需要重复地创建相同的变量. 而常量池是Java的一项重要技术, 由final修饰的变量会在编译阶段放入到调用类的常量池中.
请看下面这段演示代码. 这个示例是专门为了演示而设计的, 希望能方便大家理解这个知识点.

public static void main(String[] args) {
    int n1 = 2019;          //普通变量
    final int n2 = 2019;    //final修饰的变量

    String s = "20190522";  
    String s1 = n1 + "0522";	//拼接字符串"20190512"
    String s2 = n2 + "0522";	

    System.out.println(s == s1);	//false
    System.out.println(s == s2);	//true
}

首先要介绍一点: 整数-127-128是默认加载到常量池里的, 也就是说如果涉及到-127-128的整数操作, 默认在编译期就能确定整数的值. 所以这里我故意选用数字2019(大于128), 避免数字默认就存在常量池中.

上面的代码运作过程是这样的:
首先根据final修饰的常量会在编译期放到常量池的原则, n2会在编译期间放到常量池中.
然后s变量所对应的”20190522″字符串会放入到字符串常量池中, 并对外提供一个引用返回给s变量.
这时候拼接字符串s1, 由于n1对应的数据没有放入常量池中, 所以s1暂时无法拼接, 需要等程序加载运行时才能确定s1对应的值.
但在拼接s2的时候, 由于n2已经存在于常量池, 所以可以直接与”0522″拼接, 拼接出的结果是”20190522″. 这时系统会查看字符串常量池, 发现已经存在字符串20190522, 所以直接返回20190522的引用. 所以s2和s指向的是同一个引用, 这个引用指向的是字符串常量池中的20190522.

当程序执行时, n1变量才有具体的指向.
当拼接s1的时候, 会创建一个新的String类型对象, 也就是说字符串常量池中的20190522会对外提供一个新的引用.
所以当s1与s用”==”判断时, 由于对应的引用不同, 会返回false. 而s2和s指向同一个引用, 返回true.

总结: 这个例子想说明的是: 由于被final修饰的常量会在编译期进入常量池, 如果有涉及到该常量的操作, 很有可能在编译期就已经完成.

3. 探索: 为什么局部/匿名内部类在使用外部局部变量时, 只能使用被final修饰的变量?

提示: 在JDK1.8以后, 通过内部类访问外部局部变量时, 无需显式把外部局部变量声明为final. 不是说不需要声明为final了, 而是这件事情在编译期间系统帮我们做了. 但是我们还是有必要了解为什么要用final修饰外部局部变量.

public class Outter {
    public static void main(String[] args) {
        final int a = 10;
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(a);
            }
        }.start();
    }
}

在上面这段代码, 如果没有给外部局部变量a加上final关键字, 是无法通过编译的. 可以试着想想: 当main方法已经执行完后, main方法的栈帧将会弹出, 如果此时Thread对象的生命周期还没有结束, 还没有执行打印语句的话, 将无法访问到外部的a变量.
那么为什么加上final关键字就能正常编译呢? 我们通过查看反编译代码看看内部类是怎样调用外部成员变量的.
我们可以先通过javac编译得到.class文件(用IDE编译也可以), 然后在命令行输入javap -c .class文件的绝对路径, 就能查看.class文件的反编译代码. 以上的Outter类经过编译产生两个.class文件, 分别是Outter.class和Outter$1.class, 也就是说内部类会单独编译成一个.class文件. 下面给出Outter$1.class的反编译代码.

Compiled from "Outter.java"
final class forTest.Outter$1 extends java.lang.Thread {
  forTest.Outter$1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Thread."<init>":()V
       4: return

  public void run();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: bipush        10
       5: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
       8: return
}

定位到run()方法反编译代码中的第3行:
3: bipush 10
我们看到a的值在内部类的run()方法执行过程中是以压栈的形式存储到本地变量表中的, 也就是说在内部类打印变量a的值时, 这个变量a不是外部的局部变量a, 因为如果是外部局部变量的话, 应该会使用load指令加载变量的值. 也就是说系统以拷贝的形式把外部局部变量a复制了一个副本到内部类中, 内部类有一个变量指向外部变量a所指向的值.

但研究到这里好像和final的关系还不是很大, 不加final似乎也可以拷贝一份变量副本, 只不过不能在编译期知道变量的值罢了. 这时该思考一个新问题了: 现在我们知道内部类的变量a和外部局部变量a是两个完全不同的变量, 那么如果在执行run()方法的过程中, 内部类中修改了a变量所指向的值, 就会产生数据不一致问题.
正因为我们的原意是内部类和外部类访问的是同一个a变量, 所以当在内部类中使用外部局部变量的时候应该用final修饰局部变量, 这样局部变量a的值就永远不会改变, 也避免了数据不一致问题的发生.

二. final修饰方法

使用final修饰方法有两个作用, 首要作用是锁定方法, 不让任何继承类对其进行修改.
另外一个作用是在编译器对方法进行内联, 提升效率. 但是现在已经很少这么使用了, 近代的Java版本已经把这部分的优化处理得很好了. 但是为了满足求知欲还是了解一下什么是方法内敛.
方法内敛: 当调用一个方法时, 系统需要进行保存现场信息, 建立栈帧, 恢复线程等操作, 这些操作都是相对比较耗时的. 如果使用final修饰一个了一个方法a, 在其他调用方法a的类进行编译时, 方法a的代码会直接嵌入到调用a的代码块中.

//原代码
public static void test(){
    String s1 = "包夹方法a";
    a();
    String s2 = "包夹方法a";
}

public static final void a(){
    System.out.println("我是方法a中的代码");
    System.out.println("我是方法a中的代码");
}

//经过编译后
public static void test(){
    String s1 = "包夹方法a";
    System.out.println("我是方法a中的代码");
    System.out.println("我是方法a中的代码");
    String s2 = "包夹方法a";
}