Happens-Before原则

一、让人又爱又恨的指令重排

了解过Java并发编程知识的童鞋都知道，Java内存模型是围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性3个特征来建立的，其中有序性最为复杂。
我们习惯性的认为代码总是从先到后、依次执行的，这在单线程的时候确实是没错的(至少程序是正确的运行的)。但在并发时，有时候给人感觉写在后面的代码，比写在前面的代码先执行，如同出现了幻觉。这就是鼎鼎大名的指令重排，指令重排是很有必要的，因为大大提高了cpu处理性能。
然而，指令重排，在提高了性能的同时，也会发生一些意想不到的灾难，举个栗子：

class UnsafeOrderExample {
  int x = 0;
  boolean v = false;
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }
  public void reader() {
    if (v == true) {
      // 这里 x 会是多少呢？
      System.out.print(x);
    }
  }
}

对于上面的代码，如果只有一个线程，先执行writer方法，然后再执行reader方法，会得到一个跟预期一致的结果是42。
但假设有两个线程A、B，两者同时分别执行writer和reader方法，最终reader会输出什么呢？很显然，答案是不固定的，有可能输出42，也有可能输出0；这是因为writer方法中的代码有可能发生指令重排，导致v=true有可能会发生在x=42之前。这个类是线程不安全类。
指令重排是必要的，但同时它又带来了一些麻烦，这可怎么办？别急，Java对此指定了Happens-Before规则，既然不能禁止指令重排，那就用规则对指令重排作约束，正所谓“爱，就是克制”嘛。

二、Happens-Before规则

正如前面所说，虽然jvm和执行系统会对指令进行一定的重排，但也是建立在一些原则上的，并非所有指令都可以随便改变执行位置。这些原则就是Happens-Before原则。Happens-Before可以直译为“先行发生”，但其想表达的更深层的意思是“前面操作的结果对后续操作是可见的”。所以比较正式的说法是：Happens-Before约束了编译器的优化行为，虽然允许编译器优化，但是编译器优化后一定要遵循Happens-Before原则。

1、程序顺序规则

程序顺序原则，指的是在一个线程内，按照程序代码的顺序，前面的代码运行的结果能被后面的代码可见。(准确的说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。)
举个简单栗子：

int a,b
a=1
b=a+1  //如果指令重排不遵循程序顺序原则，则b有可能等于1

如果指令重排不遵循程序顺序原则，以上的代码的b最终有可能等于1，而不是我们期望的2。这个原则就保证了程序语义的正确性，重排指令不允许改掉原来的代码语义。

2、传递性

传递性，指的是如果A Happens-Before于B，B Happens-Before于C，则A Happens-Before于C。这个是很好理解的。用白话说就是，如果A的操作结果对B可见，B操作结果对C可见，则A的操作结果对C也是可见的。

3、volatile变量规则

指对一个volatile变量的写操作，Happens-Before于后续对这个volatile变量的读操作。如果单单是理解这句话的意思，就是我们熟悉的禁用cpu缓存的意思，使得volatile修饰的变量读到永远是最新的值。
如果这个规则跟第二个规则“传递性”结合来看，会有什么效果呢？我们可以通过改一下上面的例程来看看：

class UnsafeExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;//v用volatile修饰
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }
  public void reader() {
    if (v == true) {
      // 这里 x 会是多少呢？
      System.out.print(x);
    }
  }
}

对比这段代码跟第一个例子中的代码，变化的只是成员变量v用了volatile修饰，如果仅仅是用“volatile变量规则”来看，如果同样是线程A、B同时分别调用writer和reader，得到的不也是有42或者0两个结果么？
别慌，如果我们再结合“传递性”规则来看：

• x=42 Happens-Before 于写变量v=true
• 写变量v=true Happens-Before 于读变量 v=true

根据“传递性”，可以得出x=42 Happens-Before 于读变量v=true，是不是恍然大悟了呢？由此可以得出最终B线程执行的reader方法输出的x=42而不是0。而这个结果，是靠“volatile变量规则”+“传递性”推导出来的，凭直觉是比较难看出来的。经过这样一番修改后，这个类就变成了线程安全了。

4、锁规则

锁规则，指的是一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。
举个栗子：

synchronized (this) { // 此处自动加锁
  // x 是共享变量, 初始值 =10
  if (this.x < 12) {
    this.x = 12; 
  }  
} // 此处自动解锁

假设线程A执行完synchronized代码块后，x的值变成了12，线程B进入代码块时，可以看到线程A对x的修改，也就是能读到x==12。这个比较容易理解。

5、线程start()规则

指的是主线程A启动子线程B后，子线程B能看到主线程在启动线程B前的操作。
举个栗子：

Thread B = new Thread(()->{
  // 主线程调用 B.start() 之前
  // 所有对共享变量的修改，此处皆可见
  // 此例中，var==77
});
// 此处对共享变量 var 修改
var = 77;
// 主线程启动子线程
B.start();

此处，线程B能读到var==77。

6、线程join()规则

这个规则跟上一条规则有点类似，只不过这个规则是跟线程等待相关的。指的是主线程A等待子线程B完成(对B线程join()调用)，当子线程B操作完成后，主线程A能看到B线程的操作。
举个栗子：

Thread B = new Thread(()->{
  // 此处对共享变量 var 修改
  var = 66;
});
// 例如此处对共享变量修改，
// 则这个修改结果对线程 B 可见
// 主线程启动子线程
B.start();
B.join()
// 子线程所有对共享变量的修改
// 在主线程调用 B.join() 之后皆可见
// 此例中，var==66

此处，主线程A能看到线程B对共享变量var的操作，也就是可以看到var==66。

7、线程的interrupt()规则

指的是线程A调用线程B的interrupt()方法，Happens-Before 于线程B检测中断事件(也就是Thread.interrupted()方法)。这个也很容易理解。

8、finalize()规则

指的是对象的构造函数执行、结束 Happens-Before 于finalize()方法的开始。

三、总结

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一句，依靠这个原则，我们可以解决并发环境下两个操作之间是否存在冲突的所有问题。