什么是happens-before原则？

前言

本文隶属于专栏《100个问题搞定Java虚拟机》，该专栏为笔者原创，引用请注明来源，不足和错误之处请在评论区帮忙指出，谢谢！

本专栏目录结构和参考文献请见100个问题搞定Java虚拟机

正文

happens-before 关系是用来描述两个操作的内存可见性的。如果操作 X happens-before 操作 Y，那么 X 的结果对于 Y 可见。 Java 内存模型底层是通过内存屏障（memory barrier）来禁止重排序的。

线程内的happens-before

在同一个线程中，字节码的先后顺序（program order）也暗含了 happens-before 关系：在程序控制流路径中靠前的字节码 happens-before 靠后的字节码。

然而，这并不意味着前者一定在后者之前执行。实际上，如果后者没有观测前者的运行结果，即后者没有数据依赖于前者，那么它们可能会被重排序。

线程间的 happens-before

1. 解锁操作 happens-before 之后（这里指时钟顺序先后）对同一把锁的加锁操作。
2. volatile 字段的写操作 happens-before 之后（这里指时钟顺序先后）对同一字段的读操作。
3. 线程的启动操作（即 Thread.starts()） happens-before 该线程的第一个操作。
4. 线程的最后一个操作 happens-before 它的终止事件（即其他线程通过 Thread.isAlive() 或 Thread.join() 判断该线程是否中止）。
5. 线程对其他线程的中断操作 happens-before 被中断线程所收到的中断事件 （即被中断线程的 InterruptedException 异常，或者第三个线程针对被中断线程的 Thread.interrupted 或者 Thread.isInterrupted 调用）。
6. 构造器中的最后一个操作 happens-before 析构器的第一个操作。

happens-before关系的传递性

如果操作 X happens-before 操作 Y，而操作 Y happens-before 操作 Z，那么操作 X happens-before 操作 Z。

内存屏障（memory barrier）

对于即时编译器来说，它会针对前面提到的每一个 happens-before 关系，向正在编译的目标方法中插入相应的读读、读写、写读以及写写内存屏障。

这些内存屏障会限制即时编译器的重排序操作。

即时编译器将根据具体的底层体系架构，将这些内存屏障替换成具体的 CPU 指令。

以我们日常接触的 X86_64 架构来说，读读、读写以及写写内存屏障是空操作（no-op），只有写读内存屏障会被替换成具体指令。

对于即时编译器来说，内存屏障将限制它所能做的重排序优化。对于处理器来说，内存屏障会导致缓存的刷新操作。

volatile 字段禁止指令重排序的底层原理

以 volatile 字段访问为例，所插入的内存屏障将不允许 volatile 字段写操作之前的内存访问被重排序至其之后；

也将不允许 volatile 字段读操作之后的内存访问被重排序至其之前。