JMM與happens-before

happens-before是JMM最核心的概念，理解happens-before是理解JMM的關鍵。

一.JMM的設計

　　首先，讓咱們先分析一下JMM的設計意圖。從JMM的設計者的角度，在設計JMM的時候要考慮一下兩個關鍵因素：
　　1.程序員對內存模型的使用。程序員但願內存模型易於理解、易於編程。程序員但願基於一個強內存模型來編寫代碼。

　　2.編譯器和處理器對內存模型的實現。編譯器和處理器但願內存模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就能夠作儘量多的優化來提升性能。編譯器和處理器但願實現一個弱內存模型。

　　上述兩個因素相互矛盾，因此JSR-133專家組在設計JMM時的核心目標就是找到一個好的平衡點：一方面，要爲程序員提供足夠強的內存可見性保證；另外一方面，對編譯器和處理器的限制要儘量地放鬆。下面讓咱們來看JSR-133是如何實現這一目標的。

double pi = 3.14;　　 // A
double r = 1.0;　　　　 // B
double area = pi * r * r;　 // C

　　上述計算圓的面積的代碼中，存在三個happens-before關係：
　　　　A happens-before B

　　　　B happens-before C

　　　　A happens-before C

　　在者三個happens-before關係中2和3是必須的，1是沒必要要的。所以JMM把happens-before要求禁止的重排序分了下面兩類

　　1.會改變程序執行結果的重排序

　　2.不會改變程序執行結果的重排序

　　JMM對這兩種不一樣性質的重排序，採用了不一樣的策略，以下：
　　1.對於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.對於不會改變程序執行結果的重排序，JMM對編譯器和處理器不作要求（JMM容許這種重排序）

　　下圖是JMM的設計示意圖

　　

　　JMM向程序員提供的happens-before規則能知足程序員的要求，JMM的happens-before規則不但簡單易懂，並且也向程序員提供了足夠強的內存可見性保證。

　　JMM對編譯器和處理器的束縛已經儘量少。從上面的分析能夠看出，JMM實際上是在遵循一個基本原則：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。例如，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。再如，若是編譯器通過細緻的分析後，認定一個volatile變量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。

二.happens-before的定義

　　happens-before的概念最初由Leslie Lamport在其一篇影響深遠的論文（《Time，Clocks andthe Ordering of Events in a Distributed System》）中提出。Leslie Lamport使用happens-before來定義分佈式系統中事件之間的偏序關係（partial ordering）。Leslie Lamport在這篇論文中給出了一個分佈式算法，該算法能夠將該偏序關係擴展爲某種全序關係。

　　JSR-133使用happens-before的概念來指定兩個操做之間的執行順序。因爲這兩個操做能夠在一個線程以內，也能夠是在不一樣線程之間。所以，JMM能夠經過happens-before關係向程序員提供跨線程的內存可見性保證（若是A線程的寫操做a與B線程的讀操做b之間存在happensbefore關係，儘管a操做和b操做在不一樣的線程中執行，但JMM向程序員保證a操做將對b操做可見）。

　　《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》對happens-before關係的定義以下：

　　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Java平臺的具體實現必需要按照happens-before關係指定的順序來執行。若是重排序以後的執行結果，與按happens-before關係來執行的結果一致，那麼這種重排序並不非法。

　　上面1是JMM對程序員的承諾。從程序員的角度來講，能夠這樣理解happens-before關係：若是A happens-before B，那麼Java內存模型將向程序員保證——A操做的結果將對B可見，且A的執行順序排在B以前。注意，這只是Java內存模型向程序員作出的保證！

　　上面2是JMM對編譯器和處理器衝排序的約束。MM實際上是在遵循一個基本原則：只要不改變程序的執行結果，編譯器和處理器怎麼優化都行。happens-before這麼作的目的，都是爲了在不改變程序執行結果的前提下，儘量地提升程序執行的並行度。

三.happens-before規則

　　1.程序順序規則：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：對一個鎖的解鎖，happens-before於隨後對這個鎖的加鎖

　　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

　　5.start規則：若是線程A執行操做ThreadB.start()（啓動線程B），那麼A線程的ThreadB.start()操做happens-before於線程B中的任意操做

　　6.join規則：若是線程A執行操做ThreadB.join()併成功返回，那麼線程B中的任意操做happens-before於線程A從ThreadB.join()操做成功返回。

四.鎖的內存語義

釋放鎖時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量刷新到主內存中；獲取鎖時會把該線程對應的本地內存置爲無效。