Happens-Before的九重契约-优快云博客

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一、致命幻象：从诡异的可见性问题说起

1.1 幽灵般的数值消失

public class VisibilityDemo {
    boolean flag = true;
    int value = 0;

    void writer() {
        value = 42;     // (1)
        flag = false;   // (2)
    }

    void reader() {
        while (flag);   // (3)
        System.out.println(value); // 可能输出0！
    }
}

现象剖析：即使(1)在(2)之前执行，reader线程可能看到flag=false但value=0

二、契约基石：JMM内存模型的终极承诺

2.1 硬件现实与Java抽象

处理器缓存

缓存一致性协议

JVM内存模型

重排序规则

开发者

Happens-Before规则

2.2 JMM三大特性

原子性：lock/unlock原语保证
可见性：Happens-Before规则约束
有序性：禁止特定类型重排序

三、九重契约：Happens-Before全景解析

3.1 程序顺序规则（Program Order Rule）

int x = 1;  // (1)
int y = 2;  // (2)

即使发生重排序，单线程视角下(1)总是happens-before(2)

3.2 volatile变量规则（Volatile Variable Rule）

public class VolatileExample {
    volatile boolean flag = false;
    int value = 0;

    void writer() {
        value = 42;         // (1)
        flag = true;        // (2) volatile写
    }

    void reader() {
        if (flag) {         // (3) volatile读
            System.out.println(value); // 保证看到42
        }
    }
}

四、深度解构：高阶规则全景图

程序顺序规则

传递性规则

锁规则

volatile规则

线程启动规则

线程终结规则

中断规则

对象终结规则

4.1 锁规则的隐藏奥秘

public class LockRuleDemo {
    private final Object lock = new Object();
    private int count = 0;

    void increment() {
        synchronized(lock) {    // 加锁建立happens-before关系
            count++;            // 对共享变量的修改
        }                       // 解锁时强制刷新内存
    }
}

五、终极之战：DCL单例模式与指令重排序

5.1 经典错误实现

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
  
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                 // (1)
            synchronized (Singleton.class) {    // (2)
                if (instance == null) {         // (3)
                    instance = new Singleton(); // (4)
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

致命缺陷：对象的初始化可能被重排序，导致其他线程获得未完全初始化的实例

5.2 正确实现方案

public class SafeSingleton {
    // 添加volatile防止指令重排序
    private volatile static SafeSingleton instance;
  
    public static SafeSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SafeInstance.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SafeSingleton(); 
                    // 写操作与volatile写建立happens-before
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

六、契约封印：Happens-Before八大应用案例

6.1 Thread.start()规则

public class StartRuleDemo {
    static int data = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            // 保证能看到主线程对data的修改
            System.out.println(data); 
        });
        data = 42;      // (1) happens-before线程启动(2) 
        t.start();      // (2)
    }
}

6.2 Thread.join()规则

public class JoinRuleDemo {
    static int result;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            result = calculate();  // (1)
        });
        t.start();
        t.join();        // (2) 保证(1) happens-before这里 
        System.out.println(result); // 正确获取结果
    }
}

七、血泪教训：Happens-Before七大误区

7.1 时间顺序≠Happens-Before

int x = 1;  // (A)
int y = 2;  // (B)

即使B在A之后执行，没有数据依赖则不保证可见性

7.2 单线程不适用？

public class SingleThreadHappensBefore {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    void write() {
        a = 1;          // (1)
        flag = true;    // (2)
    }

    void read() {
        if (flag) {     // (3)
            int i = a;  // (4) 单线程没问题
        }
    }
}
// 但多线程可能看到(2)先于(1)

八、剑指核心：Happens-Before与内存屏障

8.1 JVM级别的屏障类型

屏障类型	作用描述	对应场景
LoadLoad屏障	禁止读操作重排序	volatile读之后
StoreStore屏障	禁止写操作重排序	volatile写之前
LoadStore屏障	禁止读后写重排序	volatile读之后
StoreLoad屏障	禁止写后读重排序（全能屏障）	volatile写之后

8.2 volatile的真实工作原理

public class VolatileBarrier {
    volatile int v = 0;
  
    void write() {
        v = 1; 
        // 插入StoreStore屏障 + StoreLoad屏障
    }
  
    void read() {
        int tmp = v; 
        // 插入LoadLoad屏障 + LoadStore屏障
    }
}

九、实战演练：Arthas诊断可见性问题

9.1 使用watch命令追踪变量

watch com.example.ConcurrentDemo value

9.2 查看内存屏障效果

// 原始代码
public class VisibilityTest {
    int a = 0;
    volatile int b = 0;

    void write() {
        a = 1;  // (1)
        b = 2;  // (2)
    }
}

// 通过Arthas的jad反编译查看内存屏障
monitor com.example.VisibilityTest write