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JVM happens-before 原则有哪些？

news 来源：原创 2025/5/5 6:28:01

理解Java Memory Model (JMM) 中的 happens-before 原则对于编写并发程序有很大帮助。

Happens-before 关系是 JMM 用来描述两个操作之间的内存可见性以及执行顺序的抽象概念。如果一个操作 A happens-before 另一个操作 B (记作 A hb B)，那么 JMM 向你保证：

A 的结果对 B 可见： 操作 A 的所有内存写入操作，对于操作 B 来说都是可见的。也就是说，当执行操作 B 时，操作 A 之前对共享变量的修改值能够被 B 读取到。
A 的执行顺序先于 B： 在时间顺序上，操作 A 在操作 B 之前发生。编译器和处理器在重排序指令时，不会改变happens-before 关系的操作的顺序（如果改变了会影响可见性或结果）。

需要注意的是，happens-before 并不是说操作 A 必须在操作 B 之前执行。它只是一种顺序和可见性保证。如果两个操作之间没有 happens-before 关系，那么 JVM 可以对它们进行任意重排序，一个线程的修改对另一个线程也是不可见的。

JMM 定义了一系列的天然的 happens-before 原则，这些原则构成了所有并发操作的基础：

程序顺序规则 (Program Order Rule):
- 在一个线程内，按照程序代码的顺序，书写在前面的操作 happens-before 书写在后面的操作。
- 重要性: 这是最基本的保证，但仅限于单线程内。它不保证指令不会重排序（只要重排序不影响单线程内的结果），也不保证这些操作对其他线程的可见性。
管程锁定规则 (Monitor Lock Rule):
- 对一个管程（monitor，也就是 Java 中的内置锁或 synchronized 关键字）的解锁操作 happens-before 随后对这个管程的加锁操作。
- 重要性: 这是 synchronized 实现可见性的基础。当一个线程释放锁时，会将工作内存中的共享变量写回主内存；当另一个线程获取同一个锁时，会清空工作内存，从主内存读取共享变量的最新值。
Volatile 变量规则 (Volatile Variable Rule):
- 对一个 volatile 变量的写入操作 happens-before 随后对这个 volatile 变量的读取操作。
- 重要性: 确保了 volatile 变量的可见性。一个线程修改 volatile 变量后，这个修改会立即对其他线程可见。volatile 变量的读写还会形成内存屏障，禁止特定类型的指令重排序，保证了有序性。
线程启动规则 (Thread Start Rule):
- 对 Thread.start() 的调用 happens-before 启动的线程中的任何一个操作。
- 重要性: 确保了新启动的线程能够看到主线程在调用 start() 之前对共享变量所做的修改。
线程终止规则 (Thread Termination Rule):
- 线程中的所有操作 happens-before 其他线程检测到这个线程已经终止。（例如，通过 Thread.join() 方法结束、或者 Thread.isAlive() 返回 false）。
- 重要性: 确保了在被终止线程结束前对共享变量的修改，在调用 join() 的线程返回后能够被看到。
线程中断规则 (Thread Interruption Rule):
- 对线程 interrupt() 方法的调用 happens-before 被中断线程检测到中断事件的发生（例如，Thread.interrupted() 返回 true，或抛出 InterruptedException）。
- 重要性: 保证了中断操作的可见性。
对象终结规则 (Finalizer Rule):
- 一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happens-before 它的 finalize() 方法的开始。
- 重要性: 在对象被垃圾回收器回收并执行 finalize() 方法时，对象的字段已经初始化完毕。
传递性 (Transitivity):
- 如果操作 A happens-before 操作 B，并且操作 B happens-before 操作 C，那么操作 A happens-before 操作 C。
- 重要性: 这是 happens-before 关系能够连接和传递的关键。通过这个规则，我们可以推导出更复杂的并发场景下的可见性保证。

happens-before 原则的意义：

程序员的保证： JMM 承诺遵守这些 happens-before 规则，无论底层硬件和操作系统如何实现内存访问。程序员可以依据这些规则来推理并发程序的正确性，而不必关心底层的复杂细节。
同步机制的基础： Java 中各种同步机制（如 synchronized, volatile, final, Lock, concurrent 包下的工具类）都是基于这些 happens-before 规则来实现对共享变量的正确访问。例如，CountDownLatch 的 countDown() happens-before await() 方法成功返回。
避免数据竞争： 如果两个操作分别由不同的线程执行，它们访问同一个共享变量，其中至少有一个是写入操作，并且它们之间没有 happens-before 关系，那么就存在数据竞争 (Data Race)。数据竞争会导致不可预测的结果。编写并发程序就是要避免数据竞争，确保关键操作之间建立 happens-before 关系。