面试题：Java内存模型与数据一致性深度剖析

happens - before原则概述

happens - before原则定义了两个操作之间的偏序关系。如果一个操作happens - before另一个操作，那么第一个操作的执行结果对第二个操作是可见的，并且第一个操作按顺序排在第二个操作之前。

happens - before各项规则

程序顺序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序，前面的操作happens - before后续的操作。例如：

int a = 1; // 操作1
int b = a + 1; // 操作2，操作1 happens - before 操作2

监视器锁规则：对一个锁的解锁操作happens - before后续对这个锁的加锁操作。例如：

synchronized (this) {
    // 临界区，锁获取
} // 锁释放，happens - before 后续其他线程获取同一把锁

volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens - before后续对这个volatile变量的读操作。例如：

volatile int value;
// 线程1
value = 10; // 写操作，happens - before 线程2的读操作
// 线程2
int result = value; // 读操作

线程启动规则：Thread对象的start()方法happens - before此线程的每一个动作。例如：

Thread thread = new Thread(() -> {
    // 线程内操作，start() happens - before 这里的所有操作
});
thread.start();

线程终止规则：线程中的所有操作happens - before对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。例如：

Thread thread = new Thread(() -> {
    // 线程内操作
});
thread.start();
thread.join(); // 线程终止，线程内所有操作 happens - before 这里

线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用happens - before被中断线程的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。例如：

Thread thread = new Thread(() -> {
    while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
        // 线程内操作
    }
});
thread.start();
thread.interrupt(); // 调用interrupt() happens - before 线程内检测到中断

对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happens - before它的finalize()方法的开始。

保证数据在多线程间一致性的原理

通过上述happens - before规则，JMM确保了在满足这些规则的情况下，数据在多线程间的可见性和有序性，从而保证一致性。例如，通过volatile变量规则，当一个线程修改了volatile变量，其他线程能立即看到修改后的值；监视器锁规则保证了临界区的互斥访问，同一时间只有一个线程能进入临界区，避免数据竞争。

违反规则导致的数据一致性问题

可见性问题：如果不遵循volatile变量规则或监视器锁规则，一个线程对共享变量的修改可能对其他线程不可见。例如：

int sharedVariable;
// 线程1
sharedVariable = 10;
// 线程2
int result = sharedVariable; // 可能读取到旧值，因为没有遵循相关规则保证可见性

有序性问题：不遵循程序顺序规则或happens - before的其他规则，可能导致指令重排序，使得程序执行结果不符合预期。例如：

int a, b;
// 线程1
a = 1;
b = 2;
// 线程2
if (b == 2 && a == 0) { // 由于指令重排序，可能出现这种不符合预期的情况
    // 异常逻辑
}

相应的解决方法

使用volatile关键字：对于共享且需要保证可见性的变量，声明为volatile，遵循volatile变量规则。例如：

volatile int sharedVariable;

使用synchronized关键字：对于临界区代码，使用synchronized进行同步，遵循监视器锁规则。例如：

synchronized (this) {
    // 临界区代码
}

使用并发工具类：如java.util.concurrent包下的Lock接口及其实现类，CountDownLatch、CyclicBarrier等，这些工具类内部遵循了happens - before规则，能有效保证多线程数据一致性。例如：

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    lock.unlock();
}

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