浅谈Java内存模型之happens-before

happens-before原则非常重要,它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据,依靠这个原则,我们解决在并发环境下两操作之间是否可能存在冲突的所有问题。下面我们就一个简单的例子稍微了解下happens-before ;

i = 1;       //线程A执行
j = i ;      //线程B执行

j 是否等于1呢?假定线程A的操作(i = 1)happens-before线程B的操作(j = i),那么可以确定线程B执行后j = 1 一定成立,如果他们不存在happens-before原则,那么j = 1 不一定成立。这就是happens-before原则的威力。

happens-before原则定义如下:

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原则规则:

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。
  • 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。

下面就用一个简单的例子来描述下happens-before原则:

private int i = 0;

public void write(int j ){
 i = j;
}

public int read(){
 return i;
}


我们约定线程A执行write(),线程B执行read(),且线程A优先于线程B执行,那么线程B获得结果是什么?;我们就这段简单的代码一次分析happens-before的规则(规则5、6、7、8 + 推导的6条可以忽略,因为他们和这段代码毫无关系):

1.由于两个方法是由不同的线程调用,所以肯定不满足程序次序规则;
2.两个方法都没有使用锁,所以不满足锁定规则;
3.变量i不是用volatile修饰的,所以volatile变量规则不满足;
4.传递规则肯定不满足;

所以我们无法通过happens-before原则推导出线程A happens-before线程B,虽然可以确认在时间上线程A优先于线程B指定,但是就是无法确认线程B获得的结果是什么,所以这段代码不是线程安全的。那么怎么修复这段代码呢?满足规则2、3任一即可。

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。

下图是happens-before与JMM的关系图(摘自《Java并发编程的艺术》)

浅谈Java内存模型之happens-before_第1张图片

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