【并发基础】Happens-Before模型详解

一、Happens-Before模型简介

二、组成Happens-Before模型的八种规则

2.1 程序顺序规则（as-if-serial语义）

一、Happens-Before模型简介

除了显示引用volatile关键字能够保证可见性以外，在Java中，还有很多的可见性保障的规则。

从JDK1.5开始，引入了一个happens-before的概念来阐述多个线程操作共享变量的可见性问题。所以我们可以认为在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作必须要存在 happens-before关系。这两个操作可以是同一个线程，也可以是不同的线程。

JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性，即如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系，尽管a操作和b操作不在同一个线程中执行，但是JMM向程序员保证a操作对b操作可见。具体定义为：

如果一个操作happens-before另外一个操作（发生在另一个操作之前），那么第一个操作的执行结果对第二个操作可见，且第一个操作的执行顺序在第二个操作之前。
两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法（也就是说，JMM允许这种重排序）。

上面两条规则，第一条，是JMM对程序员的保证。从程序员的角度可以这样理解happens-before：如果A happens-before B ，那么java内存模型将向程序员保证————A操作的结果一定对B操作可见，且A的执行顺序一定在B的前面。第二条是JMM对编译器和处理器重排序的约束原则，只要不改变程序的执行结果，编译器和处理器怎么优化都行。

二、组成Happens-Before模型的八种规则

happens-before模型是JMM要求多个操作必须满足的关系模型，而happens-before模型是由八条具体规则组成的，具体如下：

程序顺序规则（as-if-serial语义）：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程的任意后续操作。
监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对该volatile域的读。
传递性规则：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
start()规则：如果线程A执行ThreadB.start()，那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B的任意操作。
join()规则：如果线程A执行ThreadB.join()，那么B线程中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()成功返回。
程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用happens-before与被中断线程的代码检测到中断时间的发生。
对象finalize规则：一个对象初始化完成（构造函数执行结束）happens-before于发生它的finalize()方法的开始。

2.1 程序顺序规则（as-if-serial语义）

不能改变程序的执行结果（在单线程环境下，执行的结果不变）
依赖问题，如果两个指令存在依赖关系，不允许重排序

这样听起来好像happens-before和as-if-serial语义没什么区别，但是一定要搞清楚as-if-serial是组成happens-before模型的其中一条规则，两者是包含的关系，下面对两者进行一个比较：

as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before保证正确同步的多线程和单线程的执行结果不被改变。
as-if-serial语义给编写单线程程序的程序员创造了一个幻境：单线程程序是按程序的顺序来执行的。happens-before关系给编写正确同步的多线程程序的程序员创造了一个幻境：正确同步的多线程程序是按happens-before指定的顺序来执行的。
as-if-serial语义和happens-before这么做的目的，都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能地提高程序执行的并行度。

int a=0;
int b=0;
void test(){
    int a=1; a
    int b=1; b
    int c=a*b; c
}

a happens -before b ; b happens before c

2.2 传递性规则

a happens-before b 且 b happens- before c，那么 a happens-before c

2.3 volatile变量规则

volatile 修饰的变量的写操作，一定happens-before后续对于volatile变量的读操作。该规则利用volatile关键字通过内存屏障机制来防止指令重排。

上图中的No表示不允许重排序，由上图我们就知道了使用volatile可以保证有序性。

public class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;
    public void writer() {
        a = 1;                           1
        flag = true; // 修改              2
    }
    public void reader() {
        if (flag) { // true              3
            // i的值最终一定会被设置为1
            int i = a;                   4
        }
    }
}

1 happens-before 2 -> 因为程序顺序规则和volatile规则。

3 happens-before 4 -> 因为程序顺序规则

2 happens-before 3 -> 因为volatile规则

1 happens-before 4 -> 因为传递性规则

基于上面的规则，保证了最终i=1成立。

这里重点讲一下上面的1 happens-before 2 为什么成立。在上面给出了volatile重排序规则表的图片，其中有一条是代码中第一个操作是普通读写（在上面代码中对应了a=1），第二个操作是volatile写（在上面代码中对应了flag=true），这种情况是不允许重排序的，所以1 happens-before 2成立。

2.4 监视器锁规则

int x = 10;
synchronized(this) {
    // 后续线程读取到的x的值一定12
    if(x < 12) {
        x = 12;
    }
}
x = 12;

2.5 start规则

public class StartDemo{
    int x = 0;
    Thread t1 = new Thread(()->{
        // 读取x的值 一定是20
        if(x == 20){
        }
    });
    x = 20;
    // t1.start()以及之前的所有操作都发生在t1线程中任意操作之前
    t1.start();
}

2.6 Join规则

public class Test{
    int x=0;
    Thread t1=new Thread(()->{
        // t1线程中的任意操作都发生在当前线程中t1.join成功返回之前
        x = 200;
    });
    t1.start();
    t1.join(); //保证结果的可见性。
    //在此处读取到的x的值一定是200.
}

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