Java內存模型（七）happens-before

簡介

happens-before是JMM的核心概念。理解happens-before是了解JMM的關鍵。

1、設計意圖

JMM的設計需要考慮兩個方面，分別是程序員角度和編譯器、處理器角度：

程序員角度，希望內存模型易于理解、易于編程。希望是一個強內存模型。

編譯器和處理器角度，希望減少對它們的束縛，以至于編譯器和處理器可以做更多的性能優化。希望是一個弱內存模型。

因此JSR-133專家組設計JMM的核心目標就兩個：

為程序員提供足夠強的內存模型

對編譯器和處理器的限制盡可能少

下面通過一段代碼來看JSR-133如何實現這兩個目標：

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

上述代碼存在如下happens-before關系：

A happens-before B

B happens-before C

A happens-before C

這3個happens-before關系中，第二個和第三個是必須的，而第一個是非必須的（A、B操作之間重排序，程序執行結果不會發生改變）。

JMM把happens-before要求禁止的重排序分為下面的兩類：

會改變程序執行結果的重排序

不會改變程序執行結果的重排序

JMM對這兩種不同性質的重排序，采取了不同的策略：

對于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

對于不會改變程序執行結果的重排序，JMM不做要求（JMM運行）

JMM設計示意圖：

JMM設計示意圖

總結：

JMM給程序員提供的happens-before規則能滿足程序員的需求。簡單易懂，具有足夠強的內存可見性保證。

JMM對編譯器和處理器的束縛盡可能少。遵循的原則是：不改變程序的執行結果（正確同步或單線程執行），編譯器和處理器可以任意優化。

2、happens-before的定義

起源：

happens-before規則來源于Leslie Lamport《Time, Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》。該論文中使用happens-before來定義分布式系統中事件之間的偏序關系（partial ordering），該文中給出了一個分布式算法，能用來將偏序關系擴展為某種全序關系。

Java中的應用：

JSR-133使用happens-before來指定兩個操作之間的執行順序。JMM可以通過happens-before關系向程序員提供跨線程的內存可見性保證。

《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》對happens-before關系的定義如下：

如果操作A happens-before 操作B，那么A操作的執行結果將會對操作B可見，且操作A的執行順序排在操作B之前——JMM對程序員的承諾

兩個操作存在happens-before關系，并不意味著Java平臺的具體實現必須按照happens-before的順序來執行。如果重排序不改變程序執行結果（與happens-before）規則一致，那么這種重排序是不非法的（JMM允許這種重排序）。——JMM對編譯器和處理器的束縛原則

happens-before和as-if-serial語義：

從上述來看，happens-before和as-if-serial語義本質上是一回事

as-if-serial語義保證單線程內程序的執行結果不被改變，happens-before關系保證正確同步的多線程程序的執行結果不改變

as-if-serial語義給編程者一種單線程是按程序順序執行的幻境；happens-before關系給編程者一種正確同步的多線程是按照happens-before指定的順序執行的幻境。

兩者的目的都是為了在不改變程序執行結果的前提下，盡可能的提高程序的執行效率。

3、happens-before規則

《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》定義了如下happens-before規則

程序順序規則

監視器鎖規則

volatile變量規則

傳遞性

start()規則

join()規則

volatile寫-讀建立的happens-before關系

happens-before關系示意圖

分析上圖：

1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序順序規則產生。由于編譯器和處理器遵循as-if-serial語義，也就是說，as-if-serial語義保證了程序順序規則。因此可以把程序順序規則看成是對as-if-serial語義的“封裝”。

2 happens-before 3 是有volatile規則產生。一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量的最后寫入。

1 happens-before 4 是由傳遞性規則產生的。這里的傳遞性是由volatile的內存屏障插入策略和volatile的編譯器重排序規則來共同保證的。

假設線程A在執行的過程中，通過執行ThreadB.start()來啟動線程B；同時，假設線程A在執行ThreadB.start()之前修改了一個共享變量，線程B在執行后會讀取這些共享變量。

start()程序對應的happens-before關系圖：

分析上圖：

1 happens-before 2 由程序順序規則產生

2 happens-before 4 由start規則產生

1 happens-before 4 由傳遞性規則產生

因此線程A執行ThreadB.start()之前對共享變量所做的修改，在線程B執行后都將確保對線程B可見。

假設線程A執行的過程中，通過執行ThreadB.join()來等待線程B終止；則線程B在終止之前修改了一些共享變量，線程A從ThreadB.join()返回后會讀這些共享變量。

join()程序的happens-before關系圖：

分析上圖：

2 happens-before 4 由join()規則產生

4 happens-before 5 由程序順序規則產生

2 happens-before 5 由傳遞性規則產生

因此線程A執行操作ThreadB.join()并成功返回，線程B中任意操作都將對線程A可見。

文章總結至《Java并發編程藝術》，下篇總結“雙重檢查所定與延遲初始化”，敬請關注。

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