Java内存模型之happens-before概念详解
简介
happens-before是jmm的核心概念。理解happens-before是了解jmm的关键。
1、设计意图
jmm的设计需要考虑两个方面，分别是程序员角度和编译器、处理器角度：
- 程序员角度，希望内存模型易于理解、易于编程。希望是一个强内存模型。
- 编译器和处理器角度，希望减少对它们的束缚，以至于编译器和处理器可以做更多的性能优化。希望是一个弱内存模型。
因此jsr-133专家组设计jmm的核心目标就两个：
为程序员提供足够强的内存模型对编译器和处理器的限制尽可能少
下面通过一段代码来看jsr-133如何实现这两个目标：
double pi = 3.14; //a double r = 1.0; //b double area = pi * r * r //c
上述代码存在如下happens-before关系：
- a happens-before b
- b happens-before c
- a happens-before c
这3个happens-before关系中，第二个和第三个是必须的，而第一个是非必须的（a、b操作之间重排序，程序执行结果不会发生改变）。
jmm把happens-before要求禁止的重排序分为下面的两类：
- 会改变程序执行结果的重排序
- 不会改变程序执行结果的重排序
jmm对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略：
- 对于会改变程序执行结果的重排序，jmm要求编译器和处理器必须禁止
- 对于不会改变程序执行结果的重排序，jmm不做要求（jmm运行）
jmm设计示意图：
总结：
- jmm给程序员提供的happens-before规则能满足程序员的需求。简单易懂，具有足够强的内存可见性保证。
- jmm对编译器和处理器的束缚尽可能少。遵循的原则是：不改变程序的执行结果（正确同步或单线程执行），编译器和处理器可以任意优化。
2、happens-before的定义
起源：
happens-before规则来源于leslie lamport《time, clocks and the ordering of events in a distributed system》。该论文中使用happens-before来定义分布式系统中事件之间的偏序关系（partial ordering），该文中给出了一个分布式算法，能用来将偏序关系扩展为某种全序关系。
java中的应用：
jsr-133使用happens-before来指定两个操作之间的执行顺序。jmm可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证。
《jsr-133：java memory model and thread specification》对happens-before关系的定义如下：
如果操作a happens-before 操作b，那么a操作的执行结果将会对操作b可见，且操作a的执行顺序排在操作b之前——jmm对程序员的承诺两个操作存在happens-before关系，并不意味着java平台的具体实现必须按照happens-before的顺序来执行。如果重排序不改变程序执行结果（与happens-before）规则一致，那么这种重排序是不非法的（jmm允许这种重排序）。——jmm对编译器和处理器的束缚原则
happens-before和as-if-serial语义：
从上述来看，happens-before和as-if-serial语义本质上是一回事
- as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不改变
- as-if-serial语义给编程者一种单线程是按程序顺序执行的幻境；happens-before关系给编程者一种正确同步的多线程是按照happens-before指定的顺序执行的幻境。
两者的目的都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能的提高程序的执行效率。
3、happens-before规则
《jsr-133：java memory model and thread specification》定义了如下happens-before规则
- 程序顺序规则
- 监视器锁规则
- volatile变量规则
- 传递性
- start()规则
- join()规则
3.1 volatile写-读
volatile写-读建立的happens-before关系
分析上图：
- 1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序顺序规则产生。由于编译器和处理器遵循as-if-serial语义，也就是说，as-if-serial语义保证了程序顺序规则。因此可以把程序顺序规则看成是对as-if-serial语义的“封装”。
- 2 happens-before 3 是有volatile规则产生。一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量的最后写入。
- 1 happens-before 4 是由传递性规则产生的。这里的传递性是由volatile的内存屏障插入策略和volatile的编译器重排序规则来共同保证的。
3.2 start()规则
假设线程a在执行的过程中，通过执行threadb.start()来启动线程b；同时，假设线程a在执行threadb.start()之前修改了一个共享变量，线程b在执行后会读取这些共享变量。
start()程序对应的happens-before关系图：
分析上图：
- 1 happens-before
- 2 由程序顺序规则产生2 happens-before 4 由start规则产生
- 1 happens-before 4 由传递性规则产生
因此线程a执行threadb.start()之前对共享变量所做的修改，在线程b执行后都将确保对线程b可见。
3.3 join()规则
假设线程a执行的过程中，通过执行threadb.join()来等待线程b终止；则线程b在终止之前修改了一些共享变量，线程a从threadb.join()返回后会读这些共享变量。
join()程序的happens-before关系图：
分析上图：
- 2 happens-before
- 4 由join()规则产生4 happens-before 5 由程序顺序规则产生
- 2 happens-before 5 由传递性规则产生
因此线程a执行操作threadb.join()并成功返回，线程b中任意操作都将对线程a可见。
文章总结至《java并发编程艺术》，下篇总结“双重检查所定与延迟初始化”，敬请关注。
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