【死磕Java并发】-----Java内存模型之happens-before

在上篇博客（【死磕Java并发】—–深刻分析volatile的实现原理）LZ提到过因为存在线程本地内存和主内存的缘由，再加上重排序，会致使多线程环境下存在可见性的问题。那么咱们正确使用同步、锁的状况下，线程A修改了变量a什么时候对线程B可见？

咱们没法就全部场景来规定某个线程修改的变量什么时候对其余线程可见，可是咱们能够指定某些规则，这规则就是happens-before，从JDK 5 开始，JMM就使用happens-before的概念来阐述多线程之间的内存可见性。

在JMM中，若是一个操做执行的结果须要对另外一个操做可见，那么这两个操做之间必须存在happens-before关系。

happens-before原则很是重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，咱们解决在并发环境下两操做之间是否可能存在冲突的全部问题。下面咱们就一个简单的例子稍微了解下happens-before ；

i = 1;       //线程A执行
j = i ;      //线程B执行

j 是否等于1呢？假定线程A的操做（i = 1）happens-before线程B的操做（j = i）,那么能够肯定线程B执行后j = 1 必定成立，若是他们不存在happens-before原则，那么j = 1 不必定成立。这就是happens-before原则的威力。

happens-before原则定义以下：

1. 若是一个操做happens-before另外一个操做，那么第一个操做的执行结果将对第二个操做可见，并且第一个操做的执行顺序排在第二个操做以前。
2. 两个操做之间存在happens-before关系，并不意味着必定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。若是重排序以后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

下面是happens-before原则规则：

1. 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做；
2. 锁定规则：一个unLock操做先行发生于后面对同一个锁额lock操做；
3. volatile变量规则：对一个变量的写操做先行发生于后面对这个变量的读操做；
4. 传递规则：若是操做A先行发生于操做B，而操做B又先行发生于操做C，则能够得出操做A先行发生于操做C；
5. 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个一个动做；
6. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生；
7. 线程终结规则：线程中全部的操做都先行发生于线程的终止检测，咱们能够经过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行；
8. 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始；

咱们来详细看看上面每条规则（摘自《深刻理解Java虚拟机第12章》）：

程序次序规则：一段代码在单线程中执行的结果是有序的。注意是执行结果，由于虚拟机、处理器会对指令进行重排序（重排序后面会详细介绍）。虽然重排序了，可是并不会影响程序的执行结果，因此程序最终执行的结果与顺序执行的结果是一致的。故而这个规则只对单线程有效，在多线程环境下没法保证正确性。

锁定规则：这个规则比较好理解，不管是在单线程环境仍是多线程环境，一个锁处于被锁定状态，那么必须先执行unlock操做后面才能进行lock操做。

volatile变量规则：这是一条比较重要的规则，它标志着volatile保证了线程可见性。通俗点讲就是若是一个线程先去写一个volatile变量，而后一个线程去读这个变量，那么这个写操做必定是happens-before读操做的。

传递规则：提现了happens-before原则具备传递性，即A happens-before B , B happens-before C，那么A happens-before C

线程启动规则：假定线程A在执行过程当中，经过执行ThreadB.start()来启动线程B，那么线程A对共享变量的修改在接下来线程B开始执行后确保对线程B可见。

线程终结规则：假定线程A在执行的过程当中，经过制定ThreadB.join()等待线程B终止，那么线程B在终止以前对共享变量的修改在线程A等待返回后可见。

上面八条是原生Java知足Happens-before关系的规则，可是咱们能够对他们进行推导出其余知足happens-before的规则：

1. 将一个元素放入一个线程安全的队列的操做Happens-Before从队列中取出这个元素的操做
2. 将一个元素放入一个线程安全容器的操做Happens-Before从容器中取出这个元素的操做
3. 在CountDownLatch上的倒数操做Happens-Before CountDownLatch#await()操做
4. 释放Semaphore许可的操做Happens-Before得到许可操做
5. Future表示的任务的全部操做Happens-Before Future#get()操做
6. 向Executor提交一个Runnable或Callable的操做Happens-Before任务开始执行操做

这里再说一遍happens-before的概念：若是两个操做不存在上述（前面8条 + 后面6条）任一一个happens-before规则，那么这两个操做就没有顺序的保障，JVM能够对这两个操做进行重排序。若是操做A happens-before操做B，那么操做A在内存上所作的操做对操做B都是可见的。

下面就用一个简单的例子来描述下happens-before原则：

private int i = 0;

public void write(int j ){
    i = j;
}

public int read(){
    return i;
}

咱们约定线程A执行write()，线程B执行read()，且线程A优先于线程B执行，那么线程B得到结果是什么？；咱们就这段简单的代码一次分析happens-before的规则（规则五、六、七、8 + 推导的6条能够忽略，由于他们和这段代码毫无关系）：

1. 因为两个方法是由不一样的线程调用，因此确定不知足程序次序规则；
2. 两个方法都没有使用锁，因此不知足锁定规则；
3. 变量i不是用volatile修饰的，因此volatile变量规则不知足；
4. 传递规则确定不知足；

因此咱们没法经过happens-before原则推导出线程A happens-before线程B，虽然能够确认在时间上线程A优先于线程B指定，可是就是没法确认线程B得到的结果是什么，因此这段代码不是线程安全的。那么怎么修复这段代码呢？知足规则二、3任一便可。

happen-before原则是JMM中很是重要的原则，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，保证了多线程环境下的可见性。

下图是happens-before与JMM的关系图（摘自《Java并发编程的艺术》）

参考资料

1. 周志明：《深刻理解Java虚拟机》
2. 方腾飞：《Java并发编程的艺术》