【Java-JMM】Happens-before原则

一、什么是 Happens-before 原则

Happens-before 原则是 Java 内存模型（JMM）的核心概念，用于定义多线程环境下操作之间的内存可见性关系。

核心理解：如果操作 A happens-before 操作 B，那么 A 的执行结果对 B 可见。这个原则主要解决了 Java 并发编程中的两个关键问题：

• 可见性问题：由 CPU 缓存引起
• 有序性问题：由编译器优化和指令重排引起

二、Happens-before 的具体规则

1. 程序顺序性规则

在单线程中，按照程序代码顺序，前面的操作 happens-before 后面的操作。

关键点：

• 有依赖关系：操作间存在数据依赖时，顺序不可重排
• 无依赖关系：操作间无数据依赖时，可以重排序，但要保证单线程执行结果不变

int a = 1;     // 操作A
int b = 2;     // 操作B（与A无依赖，可重排）
int c = a + 1; // 操作C（依赖A，必须在A之后）
int d = b * 2; // 操作D（依赖B，必须在B之后）

// 可能的执行顺序：
// ✓ A → B → C → D（原始顺序）
// ✓ B → A → C → D（B与A无依赖，可交换）
// ✗ C → A → B → D（C依赖A，不能在A之前）

2. volatile 变量规则

对 volatile 变量的写操作 happens-before 后续对该变量的读操作。

volatile int flag = 0;

// 线程A
flag = 1;  // 写操作

// 线程B
if (flag == 1) {  // 读操作
    // 能看到线程A的写入
}

3. 传递性规则

如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C。

4. 锁规则（Monitor Lock Rule）

对一个锁的解锁操作 happens-before 后续对这个锁的加锁操作。

synchronized (lock) {
    // 临界区代码
}  // 解锁

// 其他线程
synchronized (lock) {  // 加锁
    // 能看到前一个线程在临界区的所有操作
}

5. 线程启动规则

线程 A 中调用线程 B 的 start() 方法之前的所有操作，happens-before 线程 B 中的任意操作。

6. 线程终止规则

线程 B 中的所有操作 happens-before 线程 A 中调用 B.join() 方法成功返回后的操作。

public class VisibilityDemo {
    static int var = 0;
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 主线程操作
        var = 10;  // ① 主线程修改
        
        Thread B = new Thread(() -> {
            // 子线程B能看到①的修改（线程启动规则）
            var = 66;  // ② 子线程修改
        });
        
        B.start();  // 启动子线程
        B.join();   // 等待子线程结束
        
        // ③ 主线程能看到②的修改（线程终止规则）
        System.out.println(var);  // 输出：66
    }
}

执行流程：

• 根据线程启动规则：主线程的 var = 10 happens-before 子线程 B 的所有操作
• 根据线程终止规则：子线程 B 的 var = 66 happens-before 主线程 join() 之后的操作
• 因此主线程最终能看到 var 的值为 66

7. final 字段规则

在构造函数中对 final 字段的写入，happens-before 其他线程对该对象的 final 字段的读取。

public class FinalExample {
    private final int value;
    
    public FinalExample(int value) {
        this.value = value;  // 构造函数中的写入
    }
    
    // 其他线程读取时，保证能看到构造函数中的赋值
    public int getValue() {
        return value;
    }
}

三、总结

Happens-before 原则是 Java 并发编程的基石，它通过定义操作间的可见性关系，让开发者能够在不了解底层硬件细节的情况下，编写正确的并发程序。掌握这些规则，是写出线程安全代码的关键。