理解 Java 并发的内存语义，绕不开 happens-before 与 JMM（Java Memory Model）。本文围绕 synchronized、volatile、final 三个关键字，从「happens-before → 各关键字的语义与底层实现 → 三者对比」的脉络展开。
一、happens-before
happens-before 是 JMM 中一套跨线程的可见性规则。它不要求 A 线程一定在 B 线程前执行，而是保证：
如果 A happens-before B，那么 A 的执行结果对 B 可见。
JVM 中的核心规则（部分）
- 程序顺序规则：同一线程内，前面的操作 happens-before 后面的操作。
- 监视器锁规则：对同一个锁的
unlockhappens-before 后续对该锁的lock。 - volatile 规则：对
volatile变量的写 happens-before 后续对该变量的读。 - 传递性：若 A happens-before B，B happens-before C，则 A happens-before C。
- start() 规则：线程 A 调用
B.start()happens-before 线程 B 中的一切操作。 - join() 规则：线程 B 中的所有操作 happens-before 线程 A 从
B.join()成功返回。 - final 字段规则：构造函数中对
final字段的写 happens-before 后续对该对象引用的读（有前提）。
二、synchronized
保证方法、代码块的：
- 原子性：临界区代码同一时刻只被一个线程执行。
- 有序性：临界区内代码不会被重排序到锁外。
- 可见性：释放锁前的所有写操作，对后续获得同一把锁的线程可见。
底层
- 修饰实例方法 → 锁
this；修饰静态方法 → 锁Class对象；修饰代码块 → 锁括号里的对象。 - 依赖对象头 Mark Word + Monitor（重量级锁），JDK 6 之后有偏向锁、轻量级锁、自旋优化。
用途
- 复合操作的原子性，如
i++、检查再执行（check-then-act）、单例双重检查锁。 - 需要"一组操作整体互斥"的场景。
三、volatile
语义
- 可见性：写
volatile变量后立即刷新回主存，读volatile变量从主存中读取。 - 有序性：禁止指令重排，插入内存屏障：
- 写前插
StoreStore，写后插StoreLoad； - 读后插
LoadLoad、LoadStore。
- 写前插
- 不保证原子性：对
volatile变量的i++不是原子操作。
底层
通过 lock 前缀指令 / 内存屏障实现，开销小于锁。
用途
- 状态标志位：
volatile boolean running = true;，一个线程写，另一个线程读。 - 双重检查锁的单例：
private volatile static Singleton instance;，防止"半初始化对象"逸出。 - 一写多读的共享变量。
四、final
语义
- 不可变性：一旦赋值后不允许再修改（引用不可变，但对象内部状态可变——除非对象本身不可变）。
- 可见性（final 字段规则）：在正确构造（构造函数中没有
this逸出）的前提下，构造函数中对final字段的写 happens-before 后续任何线程对该对象引用的读。也就是说，其他线程看到对象引用时，一定能看到final字段已正确初始化，无需同步。
这是 JMM 对 final 的特殊保证，普通字段没有这个待遇。
底层
编译器会在 final 字段写之后、构造函数返回之前插入 StoreStore 屏障。
典型用途
- 不可变对象（配合
private、不提供 setter）。 - 安全发布对象，避免"半初始化"问题。
- 常量定义。
五、三者对比
| 维度 | synchronized | volatile | final |
|---|---|---|---|
| 原子性 | ✅ 保证 | ❌ 不保证 | —（本身不可修改） |
| 可见性 | ✅ | ✅ | ✅（正确构造时） |
| 有序性 | ✅（临界区内） | ✅（禁止重排） | 构造期保证 |
| 是否阻塞 | 阻塞 | 不阻塞 | — |
| 作用对象 | 方法 / 代码块 | 变量 | 变量 / 方法 / 类 |
| 性能 | 较重（有优化） | 轻 | 无运行时开销 |
| 建立 happens-before | unlock → lock | 写 → 读 | 构造写 → 引用读 |