JMM与happens-before

Posted 2020-12-26 heapStark

happens-before是JMM最核心的概念，理解happens-before是理解JMM的关键。

一.JMM的设计

　　首先，让我们先分析一下JMM的设计意图。从JMM的设计者的角度，在设计JMM的时候要考虑一下两个关键因素：
　　1.程序员对内存模型的使用。程序员希望内存模型易于理解、易于编程。程序员希望基于一个强内存模型来编写代码。

　　2.编译器和处理器对内存模型的实现。编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好，这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

　　上述两个因素相互矛盾，所以JSR-133专家组在设计JMM时的核心目标就是找到一个好的平衡点：一方面，要为程序员提供足够强的内存可见性保证；另一方面，对编译器和处理器的限制要尽可能地放松。下面让我们来看JSR-133是如何实现这一目标的。

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

　　上述计算圆的面积的代码中，存在三个happens-before关系：
　　　　A happens-before B

　　　　B happens-before C

　　　　A happens-before C

　　在者三个happens-before关系中2和3是必须的，1是不必要的。因此JMM把happens-before要求禁止的重排序分了下面两类

　　1.会改变程序执行结果的重排序

　　2.不会改变程序执行结果的重排序

　　JMM对这两种不同性质的重排序，采用了不同的策略，如下：
　　1.对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须禁止这种重排序

　　2.对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不做要求（JMM允许这种重排序）

　　下图是JMM的设计示意图

　　

　　JMM向程序员提供的happens-before规则能满足程序员的要求，JMM的happens-before规则不但简单易懂，而且也向程序员提供了足够强的内存可见性保证。

　　JMM对编译器和处理器的束缚已经尽可能少。从上面的分析可以看出，JMM其实是在遵循一个基本原则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。例如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个锁只会被单个线程访问，那么这个锁可以被消除。再如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个volatile变量只会被单个线程访问，那么编译器可以把这个volatile变量当作一个普通变量来对待。这些优化既不会改变程序的执行结果，又能提高程序的执行效率。

二.happens-before的定义

　　happens-before的概念最初由Leslie Lamport在其一篇影响深远的论文（《Time，Clocks andthe Ordering of Events in a Distributed System》）中提出。Leslie Lamport使用happens-before来定义分布式系统中事件之间的偏序关系（partial ordering）。Leslie Lamport在这篇论文中给出了一个分布式算法，该算法可以将该偏序关系扩展为某种全序关系。

　　JSR-133使用happens-before的概念来指定两个操作之间的执行顺序。由于这两个操作可以在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。因此，JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证（如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happensbefore关系，尽管a操作和b操作在不同的线程中执行，但JMM向程序员保证a操作将对b操作可见）。

　　《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》对happens-before关系的定义如下：

　　1.如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

　　2.两个操作之间存在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。

　　上面1是JMM对程序员的承诺。从程序员的角度来说，可以这样理解happens-before关系：如果A happens-before B，那么Java内存模型将向程序员保证——A操作的结果将对B可见，且A的执行顺序排在B之前。注意，这只是Java内存模型向程序员做出的保证！

　　上面2是JMM对编译器和处理器冲排序的约束。MM其实是在遵循一个基本原则：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。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。

三.happens-before规则

　　1.程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作

　　2.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

　　3.volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读

　　4.传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C

　　5.start规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作

　　6.join规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

四.锁的内存语义

释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中；获取锁时会把该线程对应的本地内存置为无效。