面试官：为什么需要 happens-before 规则和什么是指令重排序

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发布于: 2020 年 07 月 06 日
本篇文章从happens-before定义、用途以及具体规则三个方面对happens-before进行解读，并通过源码案例深入了解为什么需要happens-before规则和什么是指令重排序。
什么是happens-beforehappens-before： A happens-before B就是A先行发生于B（这种说法不是很准确），定义为hb(A, B)。在Java内存模型中，happens-before的意思是前一个操作的结果可以被后续操作获取。
为什么需要happens-beforeJVM会对代码进行编译优化，会出现指令重排序情况，为了避免编译优化对并发编程安全性的影响，需要happens-before规则定义一些禁止编译优化的场景，保证并发编程的正确性。以双重检查单例示例进行分析：
/**
 * 懒汉式 双重检查锁实现单例
 */
public class LazyDoubleCheckSingleton {
﻿
    private static LazyDoubleCheckSingleton instance = null;
﻿
    private LazyDoubleCheckSingleton(){}
﻿
    /**
     * 双重检查锁 减小加锁粒度  相对于LazySynchronizedSingleton提升性能 减少不必要的锁开销
     * @return
     */
    public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){
                if (instance == null){
                     //CPU执行时候会转换成JVM指令执行
                    //1.分配内存给对象 2.初始化对象 3.将初始化对象和内存地址建立关联，赋值 
                    //4.用户初次访问
                    //存在问题指令重排序 有可能2 3顺序颠倒
                    instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
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手机版源码图片
上述代码中instance = new LazyDoubleCheckSingleton()并不是原子操作 ，JVM会分解成以下几个命令执行：
给对象分配内容
初始化对象
将初始化对象和内存地址建立关联
按照上面的分解顺序（1->2->3）执行不存在任何问题，但是由于JVM编译优化的存在，可能导致2和3步骤颠倒，即按1->3->2顺序执行（这就是指令重排序）。按照1->3->2顺序执行，在多线程环境中执行getInstance就有可能出现instance已经和初始对象内存建立关联，但是对象还没有初始化完成的情况，即执行if (instance == null)的时候instance != null 直接返回没有初始化完成的instance，导致再使用instance实例的时候报错。volatile关键字是可以解决指令重排序问题的一种方式，具体解决方式如下：
//添加volatile解决指令重排序问题
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance = null;
有哪些happens-before规则程序次序规则： 在一个线程内一段代码的执行结果是有序的。就是还会指令重排，但是随便它怎么排，结果是按照我们代码的顺序生成的不会变。
管程锁定规则：就是无论是在单线程环境还是多线程环境，对于同一个锁来说，一个线程对这个锁解锁之后，另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果！(管程是一种通用的同步原语，synchronized就是管程的实现）
volatile变量规则：就是如果一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个线程可见。
线程启动规则：在主线程A执行过程中，启动子线程B，那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。
线程终止规则：在主线程A执行过程中，子线程B终止，那么线程B在终止之前对共享变量的修改结果在线程A中可见。也称线程join()规则。
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()检测到是否发生中断。
传递性规则：这个简单的，就是happens-before原则具有传递性，即hb(A, B) ， hb(B, C)，那么hb(A, C)。
对象终结规则：这个也简单的，就是一个对象的初始化的完成，也就是构造函数执行的结束一定 happens-before它的finalize()方法。
END
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