5.Java内存模型(JMM)-happens-before规则

前言   

       从JDK 5 开始，JMM就使用happens-before的概念来阐述多线程之间的内存可见性；

       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存在happens-before关系；

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；

happen-before规则

       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。 
       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。

       指令重排是有原则的，并非所有的指令都可以随便改变执行位置；

happen-before的具体原则：

          1.程序顺序原则：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.volatile规则：volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性；

          3.锁规则：解锁必然发生在随后的加锁前；

          4.传递性：A先于B，B先于C，A必然先于C；

          5.线程启动规则：线程的start方法先于此线程的每个动作；

          6.线程终结规则：线程的所有操作先于线程的终结(Thread.join())；

          7.线程中断规则：线程的中断(interrupt())先于被中断线程的中断异常检测代码；

          8.对象终结规则：对象的构造函数执行完成，先于finalize()方法；

happen-before的具体规则

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；

锁定规则：这个规则比较好理解，无论是在单线程环境还是多线程环境，一个锁处于被锁定状态，那么必须先执行unlock操作后面才能进行lock操作；

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；

happens-before规则的推导

    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

       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；

举例

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）：

      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；

      两个方法都没有使用锁，所以不满足锁定规则；

      变量i不是用volatile修饰的，所以volatile变量规则不满足；

      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。

总结

       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；

参考：

        http://cmsblogs.com/?p=2102