阿里面試題：Java 并發(fā)編程之 happens-before 規(guī)則丨【奔跑吧！JAVA】

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引言

happens-before 字面意思就是先行發(fā)生，你可以理解為 A happens before B，就是 A 發(fā)生在 B 之前。

happens-before（HB） 是在 JMM 中的一個(gè)很重要的規(guī)則，即一個(gè)操作的結(jié)果對(duì)于另一個(gè)操作是可見的，用來指定兩個(gè)操作之間的執(zhí)行順序。

那為什么要有這個(gè)規(guī)則呢？其一是為了解決多線程的共享數(shù)據(jù)的可見性問題；其二是為了解決一些指令重排序問題，JMM 對(duì)編譯器和處理器指令重排序的約束原則。唯有如此，才能保證我們寫的程序按我們預(yù)想的方式執(zhí)行，得到想要的結(jié)果。

假設(shè)程序有兩個(gè)操作 A 和 B，B 操作需要 A 操作的結(jié)果。這兩個(gè)操作可以在在同一線程中完成，或者在兩個(gè)不同的線程中完成，happens-before 能向我們保證 A 操作的結(jié)果對(duì) B 操作是可見的。A 和 B 之間存在 happens-before 關(guān)系。

JMM

JMM 即 Java 內(nèi)存模型，它是對(duì)共享內(nèi)存的并發(fā)模型。我們知道，Java 中的共享變量是存儲(chǔ)在主內(nèi)存中的，而線程有自己的工作內(nèi)存，如果一個(gè)線程要操作一個(gè)共享變量，它會(huì)將共享變量賦值一份到自己的工作內(nèi)存，進(jìn)行操作后，再將最新的變量值回寫到主內(nèi)存中。

假設(shè)有線程 a 對(duì)共享變量 x 讀取進(jìn)行更新后及時(shí)回寫到主內(nèi)存，然后線程 b 再讀取共享變量 x 的值進(jìn)行操作，這是正常沒問題的。但是如果線程 a 對(duì)共享變量 x 更新后沒有及時(shí)回寫到主內(nèi)存，這時(shí)線程 b 讀取到共享變量 x 的值進(jìn)行操作，這就出現(xiàn)臟讀的現(xiàn)象。

要處理以上并發(fā)臟讀的問題也簡(jiǎn)單，可以使用同步機(jī)制控制多線程之間操作的順序，例如使用 synchronzied 關(guān)鍵字；或者使用 volatitle 關(guān)鍵字強(qiáng)制將線程更新后的最新值回寫到主內(nèi)存，以便其他線程可見。這都是 JMM 中 HB 的體現(xiàn)。

指令重排序

我們知道，JVM 會(huì)對(duì)我們寫的代碼進(jìn)行優(yōu)化，其中一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)就是編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序。雖然這些優(yōu)化能提高程序性能，但是有可能會(huì)出現(xiàn)優(yōu)化后執(zhí)行的結(jié)果不是我們預(yù)想的結(jié)果，所以需要 happens-before 規(guī)則來禁止一些編譯優(yōu)化的場(chǎng)景，保證并發(fā)編程的正確性。

JMM 并不是全部禁止指令重排序，對(duì)于不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM 允許編譯器和處理器這樣做。而對(duì)于會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM 會(huì)禁止這種重排序。

以我們最熟悉的 double-check 懶漢式單例模式為例，網(wǎng)上會(huì)告知如下程序是沒問題的。

package com.chenpi; /** * @Description * @Author Mr.nobody * @Date 2021/6/22 * @Version 1.0 */ public class Singleton { private static Singleton singleton = null; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (null == singleton) { synchronized (Singleton.class) { if (null == singleton) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }

如果分析底層的話，以下一行代碼并不是原子操作。在 JVM 指令執(zhí)行來看，一般會(huì)有如下步驟：

分配內(nèi)存給對(duì)象

初始化對(duì)象，即生成實(shí)例

將分配的內(nèi)存地址賦值給對(duì)象，此時(shí)對(duì)象不為null

如果按上面的步驟執(zhí)行的話，并發(fā)情況不會(huì)有問題。但是因?yàn)橛捎?JVM 編譯優(yōu)化的影響，有可能導(dǎo)致2和3步驟顛倒位置，即發(fā)生指令重排序。如果執(zhí)行了第3步驟而還沒執(zhí)行第2步驟，在并發(fā)情況下，如果有另一個(gè)線程判斷此時(shí)變量不為 null，則返回沒有初始化的對(duì)象進(jìn)行使用，就有可能會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。

singleton = new Singleton();

解決上述的問題也簡(jiǎn)單，用 volatitle 關(guān)鍵字修飾 singleton 變量即可，這也是 happens-before 規(guī)則之一。

private static volatile Singleton singleton = null;

為何要有 happens-before

其實(shí) happens-before 更像一個(gè)發(fā)揮中間層的作用。向我們程序員保證一些操作之間的執(zhí)行順序，例如 A happens-before B，就保證 A 一定先行發(fā)生于 B。它讓我們能以簡(jiǎn)單易懂的方式去寫代碼，而不用去學(xué)習(xí)底層比較復(fù)雜的例如內(nèi)存模型，指令重排序等知識(shí)。其二是對(duì)編譯器和處理器做一些約束，它們可以做任何代碼優(yōu)化，但是得保證優(yōu)化后不能改變?cè)谐绦虻膱?zhí)行結(jié)果，這里主要指單線程程序和正確同步的多線程程序，不然禁止它們優(yōu)化。

簡(jiǎn)而言之，就是 happens-before 向我們保證了在多線程環(huán)境中，上一個(gè)操作對(duì)下一個(gè)操作的有序性和操作結(jié)果的可見性。

其實(shí) Java JUC 類庫中許多操作都使用到了 happens-before 規(guī)則，例如并發(fā)容器，CountDownLatch，Semaphore，F(xiàn)uture，Executor等。

何為理解在 happens-before 規(guī)則的情況下，也允許編譯器和處理器進(jìn)行優(yōu)化呢？例如程序有一個(gè)加鎖的操作，但是編譯器分析發(fā)現(xiàn)這個(gè)鎖只能被單線程訪問，那其實(shí)就沒必要加鎖操作了，就可以優(yōu)化消除這個(gè)鎖。這樣能提高程序的執(zhí)行效率，還不會(huì)改變?cè)械膱?zhí)行結(jié)果。

happens-before 規(guī)則

程序次序規(guī)則：同一個(gè)線程內(nèi)的一段代碼的執(zhí)行順序是有序的，即前面的操作 happens-before 后面的操作。但還是有可能發(fā)生指令重排序，不過重排序后的結(jié)果還是跟順序執(zhí)行的結(jié)果一致。

管程鎖定規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖操作 happens-before 后續(xù)對(duì)這個(gè)鎖的加鎖操作。即后續(xù)的加鎖操作能夠感知到前面解鎖的變化，synchronized 就是管程的實(shí)現(xiàn)。

volatile 變量規(guī)則：對(duì) valatile 修飾的變量的更新操作 happens-before 后續(xù)對(duì)此變量的任意操作。可以了解下內(nèi)存屏障和緩存一致性協(xié)議。

傳遞性規(guī)則：A happens-before B，B happens-before C，則 A happens-before C。學(xué)過離散數(shù)學(xué)的都知道偏序關(guān)系，偏序關(guān)系具有傳遞性。

線程啟動(dòng)規(guī)則：在主線程啟動(dòng)子線程，那么主線程啟動(dòng)子線程之前的操作對(duì)于子線程是可見的。即 start() happens-before 子線程中的操作。

線程終止規(guī)則：在主線程執(zhí)行過程中，子線程終止，那么子線程終止之前的操作在主線程中是可見。例如在主線程中執(zhí)行子線程的 join 方法等待子線程完成，當(dāng)子線程執(zhí)行完畢后，主線程可以看到子線程的所有操作。

線程中斷規(guī)則：對(duì)線程 interrupt 方法的調(diào)用 happens-before 被中斷線程代碼檢測(cè)到中斷事件。

對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行的結(jié)束 happens-before 它的 finalize()方法。

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Java JVM 多線程

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