Java并发：happens-before

Posted 2021-01-16 那股泥石流

happens-before

一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系

happen-before原则是JMM中非常重要的原则，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。

happens-before原则定义：

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，并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之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规则：

　　1)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：对一个监视器锁的解锁，happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。

　　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。

（happens-before以下部分转自【死磕Java并发】—–Java内存模型之happens-before）

1. 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；
2. 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作；
3. volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；
4. 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作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个一个动作；
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：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过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；

我们来详细看看上面每条规则（摘自《深入理解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，因为虚拟机、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，但是并不会影响程序的执行结果，所以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，在多线程环境下无法保证正确性。

　　锁定规则：这个规则比较好理解，无论是在单线程环境还是多线程环境，一个锁处于被锁定状态，那么必须先执行unlock操作后面才能进行lock操作。

　　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。通俗点讲就是如果一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作一定是happens-before读操作的。

　　传递规则：提现了happens-before原则具有传递性，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在执行过程中，通过执行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在执行的过程中，通过制定ThreadB.join()等待线程B终止，那么线程B在终止之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满足Happens-before关系的规则，但是我们可以对他们进行推导出其他满足happens-before的规则：

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

这里再说一遍happens-before的概念：如果两个操作不存在上述（前面8条 + 后面6条）任一一个happens-before规则，那么这两个操作就没有顺序的保障，JVM可以对这两个操作进行重排序。如果操作A happens-before操作B，那么操作A在内存上所做的操作对操作B都是可见的。

JMM把happens- before要求禁止的重排序分为了下面两类：

1）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）不会改变程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不作要求（JMM允许这种重排序，如as-if-serial）。

　　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。

　　比如，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。

　　再比如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个volatile变量仅仅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。

数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时这两个操作之间就存在数据依赖性

只要重排序两个操作的执行顺序，程序的执行结果将会被改变

编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序

　　写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后，再读这个位置。
　　写后写 a = 1;a = 2; 写一个变量之后，再写这个变量。
　　读后写 a = b;b = 1; 读一个变量之后，再写这个变量。

只针对单线程

as-if-serial语义

不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），程序的执行结果不能被改变（只针对单线程）

编译器和处理器遵守数据依赖性原因：为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果

遵守as-if-serial语义，单线程程序的程序员创建了一个幻觉：单线程程序是按程序的顺序来执行的。as-if-serial语义使单线程程序员无需担心重排序会干扰他们，也无需担心内存可见性问题

    // 举例：可能A-->B--C 也可能B-->A-->C
    double pi  = 3.14;    //A
    double r   = 1.0;     //B
    double area = pi * r * r; //C