Java併發（四）：happens-before

happens-before

一個操做執行的結果須要對另外一個操做可見，那麼這兩個操做之間必須存在happens-before關係

happen-before原則是JMM中很是重要的原則，它是判斷數據是否存在競爭、線程是否安全的主要依據，保證了多線程環境下的可見性。

happens-before原則定義：

1. 若是一個操做happens-before另外一個操做，那麼第一個操做的執行結果將對第二個操做可見，並且第一個操做的執行順序排在第二個操做以前。 
2. 兩個操做之間存在happens-before關係，並不意味着必定要按照happens-before原則制定的順序來執行。若是重排序以後的執行結果與按照happens-before關係來執行的結果一致，那麼這種重排序並不非法。

下面是happens-before規則：

　　1)一個線程中的每一個操做，happens- before 於該線程中的任意後續操做。

　　2)監視器鎖規則：對一個監視器鎖的解鎖，happens- before 於隨後對這個監視器鎖的加鎖。

　　3)volatile變量規則：對一個volatile域的寫，happens- before 於任意後續對這個volatile域的讀。

　　4)傳遞性：若是A happens- before B，且B happens- before C，那麼A happens- before C。

（happens-before如下部分轉自【死磕Java併發】—–Java內存模型之happens-before）

1. 程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操做先行發生於書寫在後面的操做；
2. 鎖定規則：一個unLock操做先行發生於後面對同一個鎖額lock操做；
3. volatile變量規則：對一個變量的寫操做先行發生於後面對這個變量的讀操做；
4. 傳遞規則：若是操做A先行發生於操做B，而操做B又先行發生於操做C，則能夠得出操做A先行發生於操做C；
5. 線程啓動規則：Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每一個一個動做；
6. 線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生；
7. 線程終結規則：線程中全部的操做都先行發生於線程的終止檢測，咱們能夠經過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行；
8. 對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始；

咱們來詳細看看上面每條規則（摘自《深刻理解Java虛擬機第12章》）：

　　程序次序規則：一段代碼在單線程中執行的結果是有序的。注意是執行結果，由於虛擬機、處理器會對指令進行重排序（重排序後面會詳細介紹）。雖然重排序了，可是並不會影響程序的執行結果，因此程序最終執行的結果與順序執行的結果是一致的。故而這個規則只對單線程有效，在多線程環境下沒法保證正確性。

　　鎖定規則：這個規則比較好理解，不管是在單線程環境仍是多線程環境，一個鎖處於被鎖定狀態，那麼必須先執行unlock操做後面才能進行lock操做。

　　volatile變量規則：這是一條比較重要的規則，它標誌着volatile保證了線程可見性。通俗點講就是若是一個線程先去寫一個volatile變量，而後一個線程去讀這個變量，那麼這個寫操做必定是happens-before讀操做的。

　　傳遞規則：提現了happens-before原則具備傳遞性，即A happens-before B , B happens-before C，那麼A happens-before C

　　線程啓動規則：假定線程A在執行過程當中，經過執行ThreadB.start()來啓動線程B，那麼線程A對共享變量的修改在接下來線程B開始執行後確保對線程B可見。

　　線程終結規則：假定線程A在執行的過程當中，經過制定ThreadB.join()等待線程B終止，那麼線程B在終止以前對共享變量的修改在線程A等待返回後可見。

上面八條是原生Java知足Happens-before關係的規則，可是咱們能夠對他們進行推導出其餘知足happens-before的規則：

1. 將一個元素放入一個線程安全的隊列的操做Happens-Before從隊列中取出這個元素的操做
2. 將一個元素放入一個線程安全容器的操做Happens-Before從容器中取出這個元素的操做
3. 在CountDownLatch上的倒數操做Happens-Before CountDownLatch#await()操做
4. 釋放Semaphore許可的操做Happens-Before得到許可操做
5. Future表示的任務的全部操做Happens-Before Future#get()操做
6. 向Executor提交一個Runnable或Callable的操做Happens-Before任務開始執行操做

這裏再說一遍happens-before的概念：若是兩個操做不存在上述（前面8條 + 後面6條）任一一個happens-before規則，那麼這兩個操做就沒有順序的保障，JVM能夠對這兩個操做進行重排序。若是操做A happens-before操做B，那麼操做A在內存上所作的操做對操做B都是可見的。

JMM把happens- before要求禁止的重排序分爲了下面兩類：

1）會改變程序執行結果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。

2）不會改變程序執行結果的重排序，JMM對編譯器和處理器不做要求（JMM容許這種重排序，如as-if-serial）。

　　只要不改變程序的執行結果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎麼優化都行。

　　好比，若是編譯器通過細緻的分析後，認定一個鎖只會被單個線程訪問，那麼這個鎖能夠被消除。

　　再好比，若是編譯器通過細緻的分析後，認定一個volatile變量僅僅只會被單個線程訪問，那麼編譯器能夠把這個volatile變量看成一個普通變量來對待。

　　這些優化既不會改變程序的執行結果，又能提升程序的執行效率。

數據依賴性

若是兩個操做訪問同一個變量，且這兩個操做中有一個爲寫操做，此時這兩個操做之間就存在數據依賴性

只要重排序兩個操做的執行順序，程序的執行結果將會被改變

編譯器和處理器在重排序時，會遵照數據依賴性，編譯器和處理器不會改變存在數據依賴關係的兩個操做的執行順序

　　寫後讀 a = 1;b = a; 寫一個變量以後，再讀這個位置。
　　寫後寫 a = 1;a = 2; 寫一個變量以後，再寫這個變量。
　　讀後寫 a = b;b = 1; 讀一個變量以後，再寫這個變量。

只針對單線程

as-if-serial語義

無論怎麼重排序（編譯器和處理器爲了提升並行度），程序的執行結果不能被改變（只針對單線程）

編譯器和處理器遵照數據依賴性緣由：爲了遵照as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數據依賴關係的操做作重排序，由於這種重排序會改變執行結果

遵照as-if-serial語義，單線程程序的程序員建立了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執行的。as-if-serial語義使單線程程序員無需擔憂重排序會干擾他們，也無需擔憂內存可見性問題

    // 舉例：可能A-->B--C 也可能B-->A-->C
    double pi  = 3.14;    //A
    double r   = 1.0;     //B
    double area = pi * r * r; //C