Java 并发编程之 happens-before 规则

Posted 2021-10-10 琦彦

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引言

JMM

指令重排序

为何要有 happens-before

happens-before 规则

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引言

happens-before 字面意思就是先行发生，你可以理解为 A happens before B，就是 A 发生在 B 之前。

happens-before（HB） 是在 JMM 中的一个很重要的规则，即一个操作的结果对于另一个操作是可见的，用来指定两个操作之间的执行顺序。

那为什么要有这个规则呢？

其一是为了解决多线程的共享数据的可见性问题；

其二是为了解决一些指令重排序问题，JMM 对编译器和处理器指令重排序的约束原则。

唯有如此，才能保证我们写的程序按我们预想的方式执行，得到想要的结果。

假设程序有两个操作 A 和 B，B 操作需要 A 操作的结果。这两个操作可以在在同一线程中完成，或者在两个不同的线程中完成，happens-before 能向我们保证 A 操作的结果对 B 操作是可见的。A 和 B 之间存在 happens-before 关系。

JMM

JMM 即 Java 内存模型，它是对共享内存的并发模型。我们知道，Java 中的共享变量是存储在主内存中的，而线程有自己的工作内存，如果一个线程要操作一个共享变量，它会将共享变量赋值一份到自己的工作内存，进行操作后，再将最新的变量值回写到主内存中。

假设有线程 a 对共享变量 x 读取进行更新后及时回写到主内存，然后线程 b 再读取共享变量 x 的值进行操作，这是正常没问题的。但是如果线程 a 对共享变量 x 更新后没有及时回写到主内存，这时线程 b 读取到共享变量 x 的值进行操作，这就出现脏读的现象。

要处理以上并发脏读的问题也简单，可以使用同步机制控制多线程之间操作的顺序，例如使用 synchronzied 关键字；或者使用 volatitle 关键字强制将线程更新后的最新值回写到主内存，以便其他线程可见。这都是 JMM 中 HB 的体现。

指令重排序

我们知道，JVM 会对我们写的代码进行优化，其中一个优化点就是编译器和处理器对指令进行重排序。虽然这些优化能提高程序性能，但是有可能会出现优化后执行的结果不是我们预想的结果，所以需要 happens-before 规则来禁止一些编译优化的场景，保证并发编程的正确性。

JMM 并不是全部禁止指令重排序，对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM 允许编译器和处理器这样做。而对于会改变程序执行结果的重排序，JMM 会禁止这种重排序。

以我们最熟悉的 double-check 懒汉式单例模式为例，网上会告知如下程序是没问题的。

package com.chenpi;

/**
 * @Description
 * @Author Mr.nobody
 * @Date 2021/6/22
 * @Version 1.0
 */
public class Singleton {

    private static Singleton singleton = null;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (null == singleton) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == singleton) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

如果分析底层的话，以下一行代码并不是原子操作。在 JVM 指令执行来看，一般会有如下步骤：

1. 分配内存给对象
2. 初始化对象，即生成实例
3. 将分配的内存地址赋值给对象，此时对象不为null

如果按上面的步骤执行的话，并发情况不会有问题。但是因为由于 JVM 编译优化的影响，有可能导致2和3步骤颠倒位置，即发生指令重排序。如果执行了第3步骤而还没执行第2步骤，在并发情况下，如果有另一个线程判断此时变量不为 null，则返回没有初始化的对象进行使用，就有可能会出现报错。

singleton = new Singleton();

解决上述的问题也简单，用 volatitle 关键字修饰 singleton 变量即可，这也是 happens-before 规则之一。

private static volatile Singleton singleton = null;

为何要有 happens-before

其实 happens-before 更像一个发挥中间层的作用。向我们程序员保证一些操作之间的执行顺序，例如 A happens-before B，就保证 A 一定先行发生于 B。它让我们能以简单易懂的方式去写代码，而不用去学习底层比较复杂的例如内存模型，指令重排序等知识。其二是对编译器和处理器做一些约束，它们可以做任何代码优化，但是得保证优化后不能改变原有程序的执行结果，这里主要指单线程程序和正确同步的多线程程序，不然禁止它们优化。

简而言之，就是 happens-before 向我们保证了在多线程环境中，上一个操作对下一个操作的有序性和操作结果的可见性。

其实 Java JUC 类库中许多操作都使用到了 happens-before 规则，例如并发容器，CountDownLatch，Semaphore，Future，Executor等。

何为理解在 happens-before 规则的情况下，也允许编译器和处理器进行优化呢？例如程序有一个加锁的操作，但是编译器分析发现这个锁只能被单线程访问，那其实就没必要加锁操作了，就可以优化消除这个锁。这样能提高程序的执行效率，还不会改变原有的执行结果。

happens-before 规则

happens-before 是从 JDK5 开始，java 使用新的 JSR -133 内存模型推出的一个规则。JSR-133 使用 happens-before 的概念来阐述操作之间的内存可见性。在 JMM 中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在 happens-before 关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。

• Each action in a thread happens-before every subsequent action in that thread.
• An unlock on a monitor happens-before every subsequent lock on that monitor.
• A write to a volatile field happens-before every subsequent read of that volatile.
• A call to start() on a thread happens-before any actions in the started thread.
• All actions in a thread happen-before any other thread successfully returns from a join() on that thread.
• If an action a happens-before an action b, and b happens before an action c, then a happensbefore c.
• the completion of an object’s constructor happens-before the execution of its finalize method (in the formal sense of happens-before).

翻译过来加上自己的理解就是：

1. 程序次序规则：同一个线程内的一段代码的执行顺序是有序的，即前面的操作 happens-before 后面的操作。但还是有可能发生指令重排序，不过重排序后的结果还是跟顺序执行的结果一致。
2. 管程锁定规则：对一个锁的解锁操作 happens-before 后续对这个锁的加锁操作。即后续的加锁操作能够感知到前面解锁的变化，synchronized 就是管程的实现。
3. volatile 变量规则：对 valatile 修饰的变量的更新操作 happens-before 后续对此变量的任意操作。可以了解下内存屏障和缓存一致性协议。
4. 传递性规则：A happens-before B，B happens-before C，则 A happens-before C。学过离散数学的都知道偏序关系，偏序关系具有传递性。
5. 线程启动规则：在主线程启动子线程，那么主线程启动子线程之前的操作对于子线程是可见的。即 start() happens-before 子线程中的操作。
6. 线程终止规则：在主线程执行过程中，子线程终止，那么子线程终止之前的操作在主线程中是可见。例如在主线程中执行子线程的 join 方法等待子线程完成，当子线程执行完毕后，主线程可以看到子线程的所有操作。
7. 线程中断规则：对线程 interrupt 方法的调用 happens-before 被中断线程代码检测到中断事件。
8. 对象终结规则：一个对象的构造函数执行的结束 happens-before 它的 finalize()方法。