Day822.Happens-Before 规则 -Java 并发编程实战

Posted 2023-01-11 阿昌喜欢吃黄桃

Happens-Before 规则

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于Happens-Before 规则的内容。

可见性、原子性、有序性这三者在编程领域属于共性问题，所有的编程语言都会遇到，Java 在诞生之初就支持多线程，自然也有针对这三者的技术方案，而且在编程语言领域处于领先地位。

理解 Java 解决并发问题的解决方案，对于理解其他语言的解决方案有触类旁通的效果。Java 内存模型，在职场的很多面试中都会考核到，是一个热门的考点，也是一个人并发水平的具体体现。

原因是当并发程序出问题时，需要一行一行地检查代码，这个时候，只有掌握 Java 内存模型，才能慧眼如炬地发现问题。

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一、Java 内存模型

导致可见性的原因是缓存，导致有序性的原因是编译优化，那解决可见性、有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化，但是这样问题虽然解决了，程序的性能可就堪忧了。合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。

那么，如何做到“按需禁用”呢？对于并发程序，何时禁用缓存以及编译优化只有程序员知道，那所谓“按需禁用”其实就是指按照程序员的要求来禁用。

所以，为了解决可见性和有序性问题，只需要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。

Java 内存模型是个很复杂的规范，可以从不同的视角来解读，站在这些程序员的视角，本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。

具体来说，这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及六项 Happens-Before 规则。

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二、使用 volatile 的困惑

volatile 关键字并不是 Java 语言的特产，古老的 C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。

例如，声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，它表达的是：

告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。

这个语义看上去相当明确，但是在实际使用的时候却会带来困惑。例如下面的示例代码，假设线程 A 执行 writer() 方法，按照 volatile 语义，会把变量 “v=true” 写入内存；假设线程 B 执行 reader() 方法，同样按照 volatile 语义，线程 B 会从内存中读取变量 v，如果线程 B 看到 “v == true” 时，那么线程 B 看到的变量 x 是多少呢？

直觉上看，应该是 42，那实际应该是多少呢？这个要看 Java 的版本，如果在低于 1.5 版本上运行，x 可能是 42，也有可能是 0；如果在 1.5 以上的版本上运行，x 就是等于 42。

// 以下代码来源于【参考1】
class VolatileExample 
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() 
    x = 42;
    v = true;
  
  public void reader() 
    if (v == true) 
      // 这里x会是多少呢？
    
  

分析一下，为什么 1.5 以前的版本会出现 x = 0 的情况呢？

变量 x 可能被 CPU 缓存而导致可见性问题。

这个问题在 1.5 版本已经被圆满解决了。Java 内存模型在 1.5 版本对 volatile 语义进行了增强。

怎么增强的呢？答案是一项 Happens-Before 规则。

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三、Happens-Before 规则

如何理解 Happens-Before 呢？

如果望文生义（很多网文也都爱按字面意思翻译成“先行发生”），那就南辕北辙了，Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面，它真正要表达的是：

前面一个操作的结果对后续操作是可见的。就像有心灵感应的两个人，虽然远隔千里，一个人心之所想，另一个人都看得到。

Happens-Before 规则就是要保证线程之间的这种“心灵感应”。

所以比较正式的说法是：Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。

Happens-Before 规则应该是 Java 内存模型里面最晦涩的内容了，和程序员相关的规则一共有如下六项，都是关于可见性的。

1、程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。

这还是比较容易理解的，比如刚才那段示例代码，按照程序的顺序，第 6 行代码 “x = 42;” Happens-Before 于第 7 行代码 “v = true;”，这就是规则 1 的内容，也比较符合单线程里面的思维：

程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。

// 以下代码来源于【参考1】
class VolatileExample 
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() 
    x = 42;
    v = true;
  
  public void reader() 
    if (v == true) 
      // 这里x会是多少呢？
    
  

2、volatile 变量规则

这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。

对一个 volatile 变量的写操作相对于后续对这个 volatile 变量的读操作可见，这怎么看都是禁用缓存的意思啊，貌似和 1.5 版本以前的语义没有变化啊？

如果单看这个规则，的确是这样，但是如果关联一下规则 3，就有点不一样的感觉了。

3、传递性

这条规则是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。

将规则 3 的传递性应用到例子中，会发生什么呢？

可以看下面这幅图：

从图中，可以看到：

1. “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是规则 1 的内容；
2. 写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”，这是规则 2 的内容 。

再根据这个传递性规则，我们得到结果：“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢？如果线程 B 读到了“v=true”，那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说，线程 B 能看到 “x == 42” ，有没有一种恍然大悟的感觉？

这就是 1.5 版本对 volatile 语义的增强，这个增强意义重大，1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的，这个在后面的内容中会详细介绍。

4、管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

要理解这个规则，就首先要了解“管程指的是什么”。

管程是一种通用的同步原语，在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。

管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。

synchronized (this)  //此处自动加锁
  // x是共享变量,初始值=10
  if (this.x < 12) 
    this.x = 12; 
    
 //此处自动解锁

所以结合规则 4——管程中锁的规则，可以这样理解：

假设 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完自动释放锁），线程 B 进入代码块时，能够看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 能够看到 x==12。这个也是符合直觉的，应该不难理解。

5、线程 start() 规则

这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。

换句话说就是，如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法（即在线程 A 中启动线程 B），那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。

具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->
  // 主线程调用B.start()之前
  // 所有对共享变量的修改，此处皆可见
  // 此例中，var==77
);
// 此处对共享变量var修改
var = 77;
// 主线程启动子线程
B.start();

6、线程 join() 规则

这条是关于线程等待的。

它是指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够看到子线程的操作。

当然所谓的“看到”，指的是对共享变量的操作。

换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。

具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->
  // 此处对共享变量var修改
  var = 66;
);
// 例如此处对共享变量修改，
// 则这个修改结果对线程B可见
// 主线程启动子线程
B.start();
B.join()
// 子线程所有对共享变量的修改
// 在主线程调用B.join()之后皆可见
// 此例中，var==66

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四、被我们忽视的 final

final 修饰变量时，初衷是告诉编译器：

这个变量生而不变，可以可劲儿优化。

Java 编译器在 1.5 以前的版本的确优化得很努力，以至于都优化错了。

问题类似于之前提到的利用双重检查方法创建单例，构造函数的错误重排导致线程可能看到 final 变量的值会变化。

详细的案例可以参考这个文档。

当然了，在 1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束。

现在只要提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。

在下面例子中，在构造函数里面将 this 赋值给了全局变量 global.obj，这就是“逸出”，线程通过 global.obj 读取 x 是有可能读到 0 的。

因此一定要避免“逸出”。

// 以下代码来源于【参考1】
final int x;
// 错误的构造函数
public FinalFieldExample()  
  x = 3;
  y = 4;
  // 此处就是讲this逸出，
  global.obj = this;

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五、总结

Java 的内存模型是并发编程领域的一次重要创新，之后 C++、C#、Golang 等高级语言都开始支持内存模型。

Java 内存模型里面，最晦涩的部分就是 Happens-Before 规则了，Happens-Before 规则最初是在一篇叫做 Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System 的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before 的语义是一种因果关系。

在现实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先于（Happens-Before）B 事件发生的，这个就是 Happens-Before 语义的现实理解。在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B 意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。

例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。

Java 内存模型主要分为两部分，一部分面向我这种编写并发程序的应用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的，我们可以重点关注前者，也就是和编写并发程序相关的部分，这部分内容的核心就是 Happens-Before 规则。

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有一个共享变量 abc，在一个线程里设置了 abc 的值 abc=3，你思考一下，有哪些办法可以让其他线程能够看到abc==3？

1. 声明共享变量abc，并使用volatile关键字修饰abc
2. 声明共享变量abc，在synchronized关键字对abc的赋值代码块加锁，由于Happen-before管程锁的规则，可以使得后续的线程可以看到abc的值。
3. A线程启动后，使用A.JOIN()方法来完成运行，后续线程再启动，则一定可以看到abc==3，线程间阻塞等待。

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