【死磕 Java 并发】-----Java 内存模型之 happens-before

在上篇博客（【死磕Java并发】-----深入分析volatile的实现原理）LZ 提到过由于存在线程本地内存和主内存的原因，再加上重排序，会导致多线程环境下存在可见性的问题。那么我们正确使用同步、锁的情况下，线程 A 修改了变量 a 何时对线程 B 可见？

我们无法就所有场景来规定某个线程修改的变量何时对其他线程可见，但是我们可以指定某些规则，这规则就是 happens-before，从 JDK 5 开始，JMM 就使用 happens-before 的概念来阐述多线程之间的内存可见性。

在 JMM 中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在 happens-before 关系。

happens-before 原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们解决在并发环境下两操作之间是否可能存在冲突的所有问题。下面我们就一个简单的例子稍微了解下 happens-before ；

i = 1; //线程 A 执行

j = i ; //线程 B 执行

j 是否等于 1 呢？假定线程 A 的操作（i = 1）happens-before 线程 B 的操作（j = i）,那么可以确定线程 B 执行后 j = 1 一定成立，如果他们不存在 happens-before 原则，那么 j = 1 不一定成立。这就是 happens-before 原则的威力。

happens-before 原则定义如下：

1. 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将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。 2. 两个操作之间存在 happens-before 关系，并不意味着一定要按照 happens-before 原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照 happens-before 关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

下面是 happens-before 原则规则：

1. 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；

2. 锁定规则：一个 unLock 操作先行发生于后面对同一个锁额 lock 操作；

3. volatile 变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；

4. 传递规则：如果操作 A 先行发生于操作 B，而操作 B 又先行发生于操作 C，则可以得出操作 A 先行发生于操作 C；

5. 线程启动规则：Thread 对象的 start()方法先行发生于此线程的每个一个动作；

6. 线程中断规则：对线程 interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生；

7. 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过 Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行；

8. 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的 finalize()方法的开始；

我们来详细看看上面每条规则（摘自《深入理解 Java 虚拟机第 12 章》）：

• 程序次序规则：一段代码在单线程中执行的结果是有序的。注意是执行结果，因为虚拟机、处理器会对指令进行重排序（重排序后面会详细介绍）。虽然重排序了，但是并不会影响程序的执行结果，所以程序最终执行的结果与顺序执行的结果是一致的。故而这个规则只对单线程有效，在多线程环境下无法保证正确性。

• volatile 变量规则：这是一条比较重要的规则，它标志着 volatile 保证了线程可见性。通俗点讲就是如果一个线程先去写一个 volatile 变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作一定是 happens-before 读操作的。

• 传递规则：提现了 happens-before 原则具有传递性，即 A happens-before B , B happens-before C，那么 A happens-before C

• 线程启动规则：假定线程 A 在执行过程中，通过执行 ThreadB.start()来启动线程 B，那么线程 A 对共享变量的修改在接下来线程 B 开始执行后确保对线程 B 可见。

• 线程终结规则：假定线程 A 在执行的过程中，通过制定 ThreadB.join()等待线程 B 终止，那么线程 B 在终止之前对共享变量的修改在线程 A 等待返回后可见。

上面八条是原生 Java 满足 Happens-before 关系的规则，但是我们可以对他们进行推导出其他满足 happens-before 的规则：

1. 将一个元素放入一个线程安全的队列的操作 Happens-Before 从队列中取出这个元素的操作

2. 将一个元素放入一个线程安全容器的操作 Happens-Before 从容器中取出这个元素的操作

3. 在 CountDownLatch 上的倒数操作 Happens-Before CountDownLatch#await()操作

4. 释放 Semaphore 许可的操作 Happens-Before 获得许可操作

5. Future 表示的任务的所有操作 Happens-Before Future#get()操作

6. 向 Executor 提交一个 Runnable 或 Callable 的操作 Happens-Before 任务开始执行操作

这里再说一遍 happens-before 的概念：如果两个操作不存在上述（前面 8 条 + 后面 6 条）任一一个 happens-before 规则，那么这两个操作就没有顺序的保障，JVM 可以对这两个操作进行重排序。如果操作 A happens-before 操作 B，那么操作 A 在内存上所做的操作对操作 B 都是可见的。

下面就用一个简单的例子来描述下 happens-before 原则：

private int i = 0;

public void write(int j ){

i = j;

}

public int read(){

return i;

}

我们约定线程 A 执行 write()，线程 B 执行 read()，且线程 A 优先于线程 B 执行，那么线程 B 获得结果是什么？；我们就这段简单的代码一次分析 happens-before 的规则（规则 5、6、7、8 + 推导的 6 条可以忽略，因为他们和这段代码毫无关系）：

1. 由于两个方法是由不同的线程调用，所以肯定不满足程序次序规则；

2. 两个方法都没有使用锁，所以不满足锁定规则；

3. 变量 i 不是用 volatile 修饰的，所以 volatile 变量规则不满足；

4. 传递规则肯定不满足；

所以我们无法通过 happens-before 原则推导出线程 A happens-before 线程 B，虽然可以确认在时间上线程 A 优先于线程 B 指定，但是就是无法确认线程 B 获得的结果是什么，所以这段代码不是线程安全的。那么怎么修复这段代码呢？满足规则 2、3 任一即可。

happen-before 原则是 JMM 中非常重要的原则，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，保证了多线程环境下的可见性。

下图是 happens-before 与 JMM 的关系图（摘自《Java 并发编程的艺术》）

参考资料

1. 周志明：《深入理解 Java 虚拟机》

2. 方腾飞：《Java 并发编程的艺术》