面试官:为什么需要 happens-before 规则和什么是指令重排序

发布于: 2020 年 07 月 06 日

本篇文章从happens-before定义、用途以及具体规则三个方面对happens-before进行解读,并通过源码案例深入了解为什么需要happens-before规则和什么是指令重排序。

什么是happens-before

happens-before: A happens-before B就是A先行发生于B(这种说法不是很准确),定义为hb(A, B)。在Java内存模型中,happens-before的意思是前一个操作的结果可以被后续操作获取。

为什么需要happens-before

JVM会对代码进行编译优化,会出现指令重排序情况,为了避免编译优化对并发编程安全性的影响,需要happens-before规则定义一些禁止编译优化的场景,保证并发编程的正确性。以双重检查单例示例进行分析:

/**
* 懒汉式 双重检查锁实现单例
*/
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private static LazyDoubleCheckSingleton instance = null;
private LazyDoubleCheckSingleton(){}
/**
* 双重检查锁 减小加锁粒度 相对于LazySynchronizedSingleton提升性能 减少不必要的锁开销
* @return
*/
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){
if (instance == null){
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){
if (instance == null){
//CPU执行时候会转换成JVM指令执行
//1.分配内存给对象 2.初始化对象 3.将初始化对象和内存地址建立关联,赋值
//4.用户初次访问
//存在问题指令重排序 有可能2 3顺序颠倒
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}

手机版源码图片

上述代码中instance = new LazyDoubleCheckSingleton()并不是原子操作 ,JVM会分解成以下几个命令执行:

  1. 给对象分配内容

  2. 初始化对象

  3. 将初始化对象和内存地址建立关联

按照上面的分解顺序(1->2->3)执行不存在任何问题,但是由于JVM编译优化的存在,可能导致2和3步骤颠倒,即按1->3->2顺序执行(这就是指令重排序)。按照1->3->2顺序执行,在多线程环境中执行getInstance就有可能出现instance已经和初始对象内存建立关联,但是对象还没有初始化完成的情况,即执行if (instance == null)的时候instance != null 直接返回没有初始化完成的instance,导致再使用instance实例的时候报错。volatile关键字是可以解决指令重排序问题的一种方式,具体解决方式如下:

//添加volatile解决指令重排序问题
private volatile static LazyDoubleCheckSingleton instance = null;

有哪些happens-before规则

程序次序规则: 在一个线程内一段代码的执行结果是有序的。就是还会指令重排,但是随便它怎么排,结果是按照我们代码的顺序生成的不会变。

管程锁定规则:就是无论是在单线程环境还是多线程环境,对于同一个锁来说,一个线程对这个锁解锁之后,另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果!(管程是一种通用的同步原语,synchronized就是管程的实现)

volatile变量规则: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,那么这个写操作的结果一定对读的这个线程可见。

线程启动规则:在主线程A执行过程中,启动子线程B,那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。

线程终止规则:在主线程A执行过程中,子线程B终止,那么线程B在终止之前对共享变量的修改结果在线程A中可见。也称线程join()规则。

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代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()检测到是否发生中断。

传递性规则:这个简单的,就是happens-before原则具有传递性,即hb(A, B) , hb(B, C),那么hb(A, C)。

对象终结规则:这个也简单的,就是一个对象的初始化的完成,也就是构造函数执行的结束一定 happens-before它的finalize()方法。

END

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