Java多线程 -- JUC包源码分析8 -- 对happen before的深刻理解

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说到happen before，很多人都知道。但因为其理论的抽象，以及在语义上的微妙，使得对happen before的理解，往往陷入“隔靴搔痒“的境地。本文试图宏观性、多角度的来分析围绕happen before的诸多问题，从而搞清楚我们为什么需要happen before?

-可见性
-重排序
-happen before
-共享存储模型 vs. 消息模型

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#可见性
说到可见性，很多人立马会想到volatile，知道它是解决单个变量、多线程之间可见性的方法，但这只是可见性的1个方面。

本文，试图从一个更宏观的角度来探讨此问题。我们都知道，Java的多线程通信模型是“共享存储模型“，与之相对应的是“消息模型“。

在笔者看来，所有的“共享存储模型“，无论是内存的存储，还是DB的存储，从抽象角度，都要解决2个问题：

问题1：屏蔽可见性 －－ A（线程／客户端）把数据写到共享存储，不想让B看见，但B却看见了。为什么不想让B看见呢？
因为此时A数据才写了1半，B去读，会读到脏数据。比如前面提到的64位long/double的原子性问题，比如Mysql中一个事务写了一半，另一个事务去读。。
我们通常的Lock，无论是db的lock，还是线程的lock，都是为了解决此问题。当然，它也解决了问题2。

问题2：敞开可见性 －－ A把数据写到共享存储，想让后续B读的时候，是可见的，但B却看不见！为什么B看不见呢？
因为A/B各自有自己的缓存。从物理实现角度讲，就是现代cpu都有自己的缓存；从抽象角度讲，JMM中，每个线程都有自己的工作内存。
之前所说的volatile，就是为了解决此问题。

重排序

我们都知道，为了尽可能的提高指令执行的并发度和效率，编译器和cpu都会做重排序。从底层实现原理来讲，重排序的规则非常多。但对程序员来讲，到底什么时候指令会被重排，什么时候不被重排呢？
在此，笔者认为可以用“负“的方法来看待这个问题：除了那些不会被重排的，剩下的，都可能被重排！
那哪些不会被重排呢？
（1）as - if - serial语义 －－ 从程序员角度来看，单线程的程序都是不会被重排的。也就是说，在底层实现上，不管如何重排，会保证上层看起来，是按代码顺序执行的。
（2）具有happen before语义的，也就是有同步机制的： volatile, final, synchronized, lock等，不会被重排。
除此之外，都可能被重排！

换句话说：编译器和cpu只保证单个线程内部的重排序，符合as-if-serial语义。至于这个重排序，对其它线程是否有影响，编译器和cpu是不管的。
因为重排序导致的线程之间不同步问题，需要程序员自己用各种线程同步机制来解决。

关于重排序导致的线程之间不同步问题，前面已有很多例子：
比如线程安全的单例模式DCL问题，
比如ConcurrentHashMap里面，get的时候，value = null，加锁重新读取的问题。。

#happen before
那究竟什么是happen before呢？happen before是JVM定义的1套规则，这套规则就是为了解决上述的可见性问题和重排序问题。

规则本身的定义很简单：A happen before B，则A的操作结果对B可见。
A happen before B，并不是说A一定要在B之前执行。而是说：如果A在B之前执行，则A的操作结果必须对B可见。

以下是一些常用的happen before规则：
（1）单线程中，前面的指令 happen before 后面的指令（这句话暗含的意思是：即使单线程中，前面的指令可能会后执行，后面的指令可能先执行。因为重排序）
（2）对volatile的写，happen before 后续所有对volatile的读（这句话暗含的意思是：对应普通变量，没有happen before关系，1个线程先写了，另1个线程去读，可能读不到）
（3）对final域的初始化，happen before 后续所有对final域的读（这句话暗含的意思是：对于普通变量，其初始化过程，可能被重排序到构造函数外面！！也即意味着，另外一个线程拿到了对象的引起，但构造函数里面的代码，可能还未执行完毕！）
（4）对 lock的解锁，happen before后续对该lock的加锁。（这句话暗含的意思是：因为happen before的偏序关系，可以推导出，第1次加锁，在锁里面执行的结果，对于第2次加锁里面的读，一定是可见的）