高并發(fā)編程-happens-before

文章目錄

概述

happens-before定義

happens-before規(guī)則

7個原則

volatile變量規(guī)則

start()規(guī)則

join()規(guī)則

happens-before與JMM的關(guān)系

JMM的設(shè)計

概述

happens-before是JMM最核心的概念，理解happens-before是理解JMM的關(guān)鍵

從JDK 5開始，Java使用新的JSR-133內(nèi)存模型。

JSR-133使用happens-before的概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性。

在JMM中，如果一個操作執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須要存在happens-before關(guān)系。

這里提到的兩個操作既可以是在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。

happens-before定義

JSR-133使用happens-before的概念來指定兩個操作之間的執(zhí)行順序。由于這兩個操作可以在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。因此，JMM可以通過happens-before關(guān)系向開發(fā)人員提供跨線程的內(nèi)存可見性保證（如果A線程的寫操作a與B線程的讀操作b之間存在happens-before關(guān)系，盡管a操作和b操作在不同的線程中執(zhí)行，但JMM向程序員保證a操作將對b操作可見）。

happens-before規(guī)則

7個原則

程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作

監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個鎖的解鎖，happens-before于隨后對這個鎖的加鎖。

volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫，happens-before于任意后續(xù)對這個volatile域的讀。

傳遞性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C

start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()（啟動線程B），那么A線程的ThreadB.start()操作happens-before于線程B中的任意操作。

join()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。

volatile變量規(guī)則

volatile寫-讀建立的happens-before關(guān)系圖如下

·1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序順序規(guī)則產(chǎn)生。由于編譯器和處理器都要遵守as-if-serial語義，也就是說，as-if-serial語義保證了程序順序規(guī)則。因此，可以把程序順序規(guī)則看成是對as-if-serial語義的“封裝”。

2 happens-before 3是由volatile規(guī)則產(chǎn)生。前面提到過，對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）之前對這個volatile變量最后的寫入。因此，volatile的這個特性可以保證實現(xiàn)volatile規(guī)則。

·1 happens-before 4是由傳遞性規(guī)則產(chǎn)生的。這里的傳遞性是由volatile的內(nèi)存屏障插入策略和volatile的編譯器重排序規(guī)則共同來保證的。

start()規(guī)則

假設(shè)線程A在執(zhí)行的過程中，通過執(zhí)行ThreadB.start()來啟動線程B；同時，假設(shè)線程A在執(zhí)行ThreadB.start()之前修改了一些共享變量，線程B在開始執(zhí)行后會讀這些共享變量。下圖是該程序?qū)?yīng)的happens-before關(guān)系圖。

1 happens-before 2由程序順序規(guī)則產(chǎn)生。2 happens-before 4由start()規(guī)則產(chǎn)生。根據(jù)傳遞性，將有1 happens-before 4。這實意味著，線程A在執(zhí)行ThreadB.start()之前對共享變量所做的修改，接下來在線程B開始執(zhí)行后都將確保對線程B可見。

join()規(guī)則

假設(shè)線程A在執(zhí)行的過程中，通過執(zhí)行ThreadB.join()來等待線程B終止；同時，假設(shè)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。 該程序?qū)?yīng)的happens-before關(guān)系圖如下：

2 happens-before 4由join()規(guī)則產(chǎn)生；4 happens-before 5由程序順序規(guī)則產(chǎn)生。根據(jù)傳遞性規(guī)則，將有2 happens-before 5。這意味著，線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回后，線程B中的任意操作都將對線程A可見。

兩個操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！happens-before僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前（the first is visible to and ordered before the second）

happens-before與JMM的關(guān)系

如上圖所示，一個 happens-before 規(guī)則通常對應(yīng)于多個編譯器重排序規(guī)則和處理器重排序規(guī)則。對于開發(fā)人員來說，happens-before 規(guī)則簡單易懂，它避免程序員為了理解 JMM 提供的內(nèi)存可見性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實現(xiàn)

JMM的設(shè)計

從JMM設(shè)計者的角度，在設(shè)計JMM時，需要考慮兩個關(guān)鍵因素

開發(fā)人員對內(nèi)存模型的使用。程序員希望內(nèi)存模型易于理解、易于編程。

開發(fā)人員希望基于一個強內(nèi)存模型來編寫代碼。

編譯器和處理器對內(nèi)存模型的實現(xiàn)。編譯器和處理器希望內(nèi)存模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來提高性能。

編譯器和處理器希望實現(xiàn)一個弱內(nèi)存模型。

由于這兩個因素互相矛盾，所以JSR-133設(shè)計JMM時的核心目標(biāo)就是找到一個好的

平衡點：一方面，要為程序員提供足夠強的內(nèi)存可見性保證；另一方面，對編譯器和處理器的限制要盡可能地放松 。

舉個例子來看JSR-133是如何實現(xiàn)這一目標(biāo)的

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

1

2

3

上面計算圓的面積的示例代碼存在3個happens-before關(guān)系，如下。

·A happens-before B。 ·B happens-before C。 ·A happens-before C。

1

2

3

在3個happens-before關(guān)系中，2和3是必需的，但1是不必要的。因此，JMM把happens-before要求禁止的重排序分為了下面兩類

·

會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。

不會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。

JMM對這兩種不同性質(zhì)的重排序，采取了不同的策略，如下

對于會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序

對于不會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM對編譯器和處理器不做要求（JMM允許這種重排序）。

從上圖可以看出兩點，如下

JMM向程序員提供的happens-before規(guī)則能滿足程序員的需求。

JMM的happens-before規(guī)則不但簡單易懂，而且也向開發(fā)人員提供了足夠強的內(nèi)存可見性保證（有些內(nèi)存可見性保證其并不一定真實存在，比如上面的A happens-before B）

·JMM對編譯器和處理器的束縛已經(jīng)盡可能少。從上面的分析可以看出，JMM其實是在遵循一個基本原則：

只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序）編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。

Java 任務(wù)調(diào)度

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