happen before 原则

并发一直都是程序开发者绕不开的难题，在上一篇文章中我们知道了导致并发问题的源头是 : 多核 CPU 缓存导致程序的可见性问题、多线程间切换带来的原子性问题以及编译优化带来的顺序性问题。

 

原子性问题我们暂且不谈，Java 中有足够健壮的锁机制来保证程序的原子性，后面学习的重点也是在这方面。今天我们就先来看看 Java 是怎么解决可见性与顺序性问题的。

 

合理的建议是 按需禁用缓存与编译优化，但是怎么才算是按需禁用呢？这就要具体问题具体分析了。Java 内存模型也规定了 JVM 如何按需提供禁用缓存与编译优化的方法，这些方法就是 volatile、syncronized、final 三个关键字与 happen-before 原则。

 

• volatile

 

volatile 其实是一种稍弱的同步机制，在并发场景下它并不能保证线程安全。

 

加锁机制既可以保证可见性又可以保证原子性，而 volatile 变量则只能保证可见性。

 

在 jdk1.5 之前 volatile 给我们最深刻的印象就是 禁用缓存，即每次读写都是直接操作内存（不是 CPU 缓存），从内存中取值。Java 从 jdk1.5 开始对 volatile 进行了优化， 我们先来看下面的例子，再讨论优化了什么和怎么优化的。

 

假设有线程 A 和线程 B，A 线程调用 write(),将 flag 赋值为 true，B 线程调用 read() ,根据 volatile 定义变量的可见性，B 线程中 flag 为 true 所以会进入if 判断，那么此时的输出 index 的值是多少呢？

class VolatileTest{
 int index = 0; 
 volatile boolean flag = false;
 
 public void write(){
   index  = 10;  
   flag = true;
 }
​
public void read(){
  if(flag){
    System.out.println(index);
  }
}
}

这个问题在 jdk1.5 之前，显示的结果可能为 0，也可能为 10，原因在于 CPU 缓存导致的可见性问题，flag 是可以保证可见性，但是 index 却无法保证，当 A 线程执行完写进 CPU 缓存还没有更新的内存时，此时 B 线程读出的 index 值就是 0。

 

为了解决上述问题，从 jdk1.5 开始对 volatile 修饰的变量进行了优化， 在 jdk1.5 以后 此时 index 输出结果就是 10 。

 

到底是怎么优化的呢？ 答案是 happen-before 原则中的传递性规则。

 

• happen before 原则

 

happen before 并不是字面的英文的意思，想要理解它必须知道 happen before 的含义，它真正的意思是前面的操作对后续的操作都是可见的，比如 A happen before B 的意思并不是说 A 操作发生在 B 操作之前，而是说 A 操作对于 B 操作一定是可见的。

 

知道了它的意思，我们再来看一下 happen before 原则中与开发相关的几项规则：

 

• 程序的顺序性规则

 

这条规则很简单，也符合我们常规的思维，就是说在一个线程中程序的执行顺序，前面的操作对后面的操作是可见的，同样是上面的代码，在执行 write() 方法时，index = 10 对 flag = true 是可见的，如下 ：

 

class VolatileTest{
 int index = 0; 
 volatile boolean flag = false;
 
 public void write(){
   index  = 10;  // index 赋值 对 flag 是可见的
   flag = true;
 }
​
public void read(){
  if(flag){
    System.out.println(index);
  }
}
}

• volatile 变量规则

 

 volatile 修饰的变量，对该变量的写操作一定可见于对该变量的读操作。

 

同样是上面的代码，A 线程执行 write() 为 flag 变量赋值为 true，B 线程执行 read() 方法，那么此时的 flag 一定为true，与 A B 线程执行顺序无关。

 

• 传递性

 

传递性就是 jdk1.5 之后对 volatile 语义的增强。啥叫传递性呢 ？ 

 

           举个简单的数学比大小的例子，你就明白了。 

 

有 a、b、c 三个数，如果 a > b, b > c, 那么由传递性可知 a > c。

 

这里的传递性的意思与例子类似， A 操作 happen before 于 B 操作，B 操作 happen before 于 C 操作，那么 A 操作 happen before 于 C 操作。同样是上面的代码，我们来解释下为什么 在 jdk1.5 之后 B 线程执行 read() 方法打印的结果一定为 10 呢？如图：

 

 

根据第一条程序的顺序性规则可知，A线程中 index = 10 对 flag = true 可见；

 

根据第二条 volatile 规则可知，flag 使用 volatile 修饰的变量， A 线程 flag 写 对 B 线程 flag 的读可见；

 

综合以上两条规则：

 

index = 10  happen before 于 flag 的写 ，

 

A 线程 flag 的写 happen before 于 B 线程 flag 的读，

 

根据传递性 ， A 线程 对 index 的写 happen before 于 B 线程 对 flag 的读。所以  A 线程对 index 变量的写操作对 B 线程 flag 变量的读操作是可见的，即 B 线程读取 index 的打印结果为 10 。

 

• 管程中锁的规则

        

管程是一种通用的同步原语，管程在 java 中指的就是 syncronized。这条规则说的是 线程的解锁 happen before 于对这个线程的加锁。

 

也就是说线程的解锁对线程的加锁是可见的，那么在一个线程中操作的变量，在这个线程解锁后，根据传递性规则，当另一个线程加锁的时候，就会读到上一个线程对这个变量的操作后的新值。

 

• 线程的 start 规则

   

A 线程中调用 B 线程的 start()， 则 start() 操作 happen before 于 B 线程所有操作，也就是说 A 线程调用 start() 操作前对共享变量的赋值,对 B 线程可见,即在 B 线程中能获取 A 对到共享变量操作后的新值。

 

• 线程的 join 规则

 

A线程中调用B线程的 join() 操作，如果成功返回 则 B的所有操作对 join() 结果的返回一定是可见的,即在 A 线程能获取到 B 对共享变量操作后的新值。

 

除了以上列举几条规则，happen before 还有些其他的规则，在开发中不常用到，这里我们就不一一列举了。其实 Java 内存模型大体可以分为两部分，一部分是编写并发程序的开发人员，另一部分是 面向JVM 的实现人员 。当然我们更关注前者，而前者的核心就是 happen before 原则，常用的就是上面我们列举的原则，了解这些也就可以了。

 

在编译器优化方面使用的最多的就是 final 了， final 修饰变量就是常量，因此编译器可以使劲的优化，在 jdk1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。

 

总结：

 

happen before 原则核心就是可见性，并不是说 一个操作发生在另一个操作前面，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。

 

 

参考资料 :   《JAVA 并发编程实战》