Java高频面试之并发编程-14

hello啊，各位观众姥爷们！！！本baby今天又来报道了！哈哈哈哈哈嗝🐶

面试官：指令重排有限制没有？happens-before 又是什么？

在并发编程中，指令重排（Instruction Reordering） 和 happens-before 原则是确保多线程程序正确性的核心机制。

一、指令重排的限制

1. 指令重排的定义

编译器或处理器为了优化性能，可能在不改变单线程执行结果的前提下，调整指令的执行顺序。例如：

int a = 1;  // 指令1
int b = 2;  // 指令2

编译器可能先执行指令2再执行指令1，因为这对单线程结果无影响。

2. 重排的限制

在多线程环境下，无限制的指令重排会导致数据不一致。因此，JMM（Java内存模型）通过 happens-before原则 限制重排，确保以下操作的顺序性：

写后读：若操作A写变量，操作B读该变量，则A必须在B之前。
写后写：若操作A和B都写同一变量，A必须在B之前。
读后写/读：若操作A读变量，操作B写或读该变量，则需确保可见性。

3. 禁止重排的场景

volatile变量：对volatile变量的读写操作不能被重排。
锁操作：加锁（monitorenter）和解锁（monitorexit）之间的代码不能被重排到锁外。
final字段：构造函数中对final字段的写入，不会被重排到构造函数外。

二、happens-before原则

1. 定义

happens-before是JMM定义的操作间的偏序关系，确保前一个操作的结果对后续操作可见。若操作A happens-before操作B，则：

A的执行结果对B可见。
A的执行顺序排在B之前。

2. 核心规则

规则	描述	示例
程序顺序规则	单线程中，代码书写顺序的操作happens-before后续操作。	`int x=1; int y=x+1;` → `x=1` happens-before `y=x+1`。
volatile规则	对`volatile`变量的写操作happens-before后续对该变量的读操作。	`volatile boolean flag=false;` → `flag=true`写happens-before`flag`读。
锁规则	解锁操作happens-before后续的加锁操作。	`synchronized(lock){...}` → 解锁happens-before下一个线程的加锁。
线程启动规则	线程的`start()`调用happens-before该线程内的任何操作。	`thread.start()` → 线程内`run()`中的操作可见`start()`前的修改。
线程终止规则	线程中的所有操作happens-before其他线程检测到该线程终止（如`join()`返回）。	`thread.join()` → 主线程能看到线程内所有修改。
传递性规则	若A happens-before B，且B happens-before C，则A happens-before C。	用于链式操作的有序性保证。

3. 实际应用

双重检查锁定（DCL）

public class Singleton {private static volatile Singleton instance; // 必须用volatilepublic static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton(); // 禁止重排初始化与赋值}}}return instance;}
}

volatile防止指令重排，确保对象完全初始化后才赋值给instance。

线程间通信

volatile boolean flag = false;
// 线程1
data = 42;
flag = true; // 写操作happens-before线程2的读操作
// 线程2
while (!flag); // 等待flag为true
System.out.println(data); // 确保看到data=42

volatile保证线程1的写操作对线程2可见。

三、happens-before与内存屏障

1. 内存屏障的作用

JVM通过插入内存屏障（Memory Barrier）指令实现happens-before规则，限制指令重排。常见屏障类型：

LoadLoad：确保当前读操作前的所有读操作完成。
StoreStore：确保当前写操作前的所有写操作完成。
LoadStore：确保当前读操作后的所有写操作完成。
StoreLoad：确保当前写操作后的所有读/写操作完成（开销最大）。

2. volatile的实现

写操作：在写volatile变量后插入StoreStore和StoreLoad屏障。
读操作：在读volatile变量前插入LoadLoad和LoadStore屏障。

四、总结

机制	核心作用	关键点
指令重排	优化性能，但受限于happens-before规则。	单线程结果不变，多线程需同步机制保证可见性。
happens-before	定义操作间的可见性和顺序性，限制指令重排。	通过程序顺序、锁、volatile等规则确保多线程正确性。
内存屏障	物理实现happens-before规则，强制刷新内存和限制重排。	volatile、锁等同步机制的底层依赖。