【死磕Java併發】-----Java內存模型之happens-before

在上篇博客（【死磕Java併發】—–深刻分析volatile的實現原理）LZ提到過因爲存在線程本地內存和主內存的緣由，再加上重排序，會致使多線程環境下存在可見性的問題。那麼咱們正確使用同步、鎖的狀況下，線程A修改了變量a什麼時候對線程B可見？

咱們沒法就全部場景來規定某個線程修改的變量什麼時候對其餘線程可見，可是咱們能夠指定某些規則，這規則就是happens-before，從JDK 5 開始，JMM就使用happens-before的概念來闡述多線程之間的內存可見性。

在JMM中，若是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。

happens-before原則很是重要，它是判斷數據是否存在競爭、線程是否安全的主要依據，依靠這個原則，咱們解決在併發環境下兩操做之間是否可能存在衝突的全部問題。下面咱們就一個簡單的例子稍微瞭解下happens-before ；

i = 1;       //線程A執行
j = i ;      //線程B執行

j 是否等於1呢？假定線程A的操做（i = 1）happens-before線程B的操做（j = i）,那麼能夠肯定線程B執行後j = 1 必定成立，若是他們不存在happens-before原則，那麼j = 1 不必定成立。這就是happens-before原則的威力。

happens-before原則定義以下：

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原則規則：

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。

下面就用一個簡單的例子來描述下happens-before原則：

private int i = 0;

public void write(int j ){
    i = j;
}

public int read(){
    return i;
}

咱們約定線程A執行write()，線程B執行read()，且線程A優先於線程B執行，那麼線程B得到結果是什麼？；咱們就這段簡單的代碼一次分析happens-before的規則（規則五、六、七、8 + 推導的6條能夠忽略，由於他們和這段代碼毫無關係）：

1. 因爲兩個方法是由不一樣的線程調用，因此確定不知足程序次序規則；
2. 兩個方法都沒有使用鎖，因此不知足鎖定規則；
3. 變量i不是用volatile修飾的，因此volatile變量規則不知足；
4. 傳遞規則確定不知足；

因此咱們沒法經過happens-before原則推導出線程A happens-before線程B，雖然能夠確認在時間上線程A優先於線程B指定，可是就是沒法確認線程B得到的結果是什麼，因此這段代碼不是線程安全的。那麼怎麼修復這段代碼呢？知足規則二、3任一便可。

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。

下圖是happens-before與JMM的關係圖（摘自《Java併發編程的藝術》）

參考資料

1. 周志明：《深刻理解Java虛擬機》
2. 方騰飛：《Java併發編程的藝術》