Java并发 - Happens-before规则

0. 前言

介绍Happens-before规则前，需要对JMM(Java Memory Model)有一定了解（可以阅读参考目录中6-12（强烈推荐））。
简单来说，程序员写程序是按照顺序一致性模型编写代码，目的是得到正确的执行结果，即顺序一致性模型下的执行结果。但是出于执行效率等原因，编译器在编译时、处理器在执行时可能进行指令重排以提高程序运行效率，JMM保证在正确同步的情况下得到的结果与顺序一致性模型得到的结果相同。

0.1 为什么会执行结果可能会有不同？

在顺序一致性模型中，只有一个单一的全局内存，所有线程的操作直接在此内存中反映，对后续执行的线程可见。

顺序一致性内存模型示意图

但是在java中，系统的资源分配是以进程为单位，线程享有所在进程的资源，但是每个线程会有自己的工作内存（包括但不限于寄存器、高速缓存等），工作内存中的内容是主内存中内容的拷贝，线程执行时修改的是工作内存中的内容，这样的话修改就不一定会被别的线程观察到。

java多线程运行内存示意图

1. 并发的三大基础概念

原子性、可见性、有序性

1.1 原子性

一个操作集合，要么全部执行，要么全不执行，即不能在执行的中途中断。

一般来说只有简单的读取、赋值（不包括变量间的赋值）、CAS操作才是原子操作。
tip:java中的long、double类型的变量的读写是不具有原子性的。
java中保证原子操作的手段：synchronized、lock、volatile（对long、double）、CAS等。

1.2 可见性

当多个线程访问共享变量时，某个线程对其作出修改后，其他线程是否能观察到此修改。

因为线程执行时，修改的是工作内存的数据，工作内存对其他线程是不可见的，所以在此修改同步到主内存之前，对其他线程来说，此修改都是不可见的。
java中保证可见性的手段：锁、volatile。
其中可见性关系的描述即为Happens-before规则，如果A Happens-before B则A中的修改均对B可见。

1.3 有序性

程序的执行顺序按照代码的先后顺序执行。

由于JMM允许编译器和处理器进行指令重排来进行优化，这种优化如果没有限制条件的话可能会影响多线程程序的执行结果，所以要添加一定的限制条件，即Happens-before规则。
如果两个操作具有Happens-before关系，则会保证他们的有序性。

2. Happens-before规则

Happens-before规则具体包含以下内容：

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；

3. 总结

写代码时是按照顺序一致性模型写代码，但是在实际情况下，由于工作内存的存在和优化的需求，多线程时程序的结果并不一定是想要的结果，为了避免这种情况发生，使用volatile/Lock等手段，保证满足Happens-before规则的代码的正确性，从而保证程序结果的正确性。

4. 参考

1. happens-before俗解
2. 【死磕Java并发】-----Java内存模型之happens-before
3. 【Java并发编程】之十六：深入Java内存模型——happen-before规则及其对DCL的分析（含代码）
4. 【死磕Java并发】—–深入分析volatile的实现原理
5. 你真的了解volatile关键字吗？
6. 深入理解Java内存模型（一）——基础
7. 深入理解Java内存模型（二）——重排序
8. 深入理解Java内存模型（三）——顺序一致性
9. 深入理解Java内存模型（四）——volatile
10. 深入理解Java内存模型（五）——锁
11. 深入理解Java内存模型（六）——final
12. 深入理解Java内存模型（七）——总结
13. 线程的工作内存
14. 同一进程中的线程究竟共享哪些资源