【Java并发（三）】--Java内存模型之happens-before规则

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前言

​ 在前面java并发--volatile详解中提到，由于线程直线存在主内存和线程的本地内存（一般叫做线程的写缓冲区），所以会存在线程之间的可见性的问题。而volatile正好能够保证线程之间的可见性，那么其中发生了什么，或者说是，怎样才会让线程具有可见性呢？

那么为什么线程之间会产生可见性的问题呢？

​ 这里涉及到Java内存模型的概念（以下以JMM统称），在并发编程中，存在两个关键的问题：线程之间是如何通信及线程之间如何同步

1. 通信：是指两个实体线程之间是以何种机制来交换信息的。线程之间的通信机制有两种：共享内存和信息传递。
   1. 共享内存：在共享内存的并发模型中，线程之间会共享程序的公共状态，通过读-写操作来获取内存中的公共状态进行隐式通信。在信息传递的并发模型里，线程之间没有公共的状态，线程之间必须通过发送消息来显式进行通信。
2. 同步：同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。在共享内存中并发模型里，同步为显式进行的。程序必须被显式地制定某个方法或者某个变量或者某个代码块需要在线程之间进行不同操作（也就是线程独占地方式，让线程之间在这段代码里互斥执行）。在线程传递地并发模型里，由于消息地发送必须在消息地接收之前，因此这里的同步则为隐式进行的。

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​ Java的并发采用的是共享内存模型，因此Java线程之间的通信总是隐式进行的，整个通信过程对程序员是完全透明的。所以就会引发线程之间各种奇怪的内存可见性的问题。

​ 那么Java的共享内存模型之间的通信到底是怎样进行的呢？

​ 在Java 中，所有的实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。（而局部变量和异常处理器参数不会再线程之间共享，他们不会存在内存可见性的问题。也不受内存模型的影响）。

​ Java线程之间的通信由JMM控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系；在线程与主内存通信时，每个线程都会存储一个主内存的备份，这里可以定义为（线程的本地内存，这是一个抽象的概念，其实并不存在的东西。它包含了线程的缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化）。在对本地内存做完操作后，会写回到主内存，来确保另外的线程读到最新的值，这样来完成线程之间的通信。（如图）

java内存模型的抽象结构示意图

​ 此时便涉及到了内存可见性的问题，如果两个线程存在先后执行的顺序（并且执行顺序会影响程序的最终结果。），在并发的情况下，极大可能出现预计外的错误，那么JMM在JDK5开始，就使用新的JSR-133内存模型。JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。

​ 如果两个操作之间存在前后顺序，或者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。

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happens-before定义

1. 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before（先行发生）于该线程中的任意后续操作。
2. 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。（一个锁的unlock操作先行发生于随后对这个锁的加锁）
3. volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。（对一个用volatile修饰的域的写先行发生于任意后续对这个volatile域的读）。
4. 传递规则：如果A先行发生于操作B，而操作B先行发生于操作C，则可以得出操作A一定先行发生于操作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一个动作；
6. 线程中断规则：对线程interrupt（）方法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.jion()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它的finalize（）方法的开始；

摘自《深入理解Java虚拟机第12章》

简单总结为：现实生活中也一样，蒸饭一定先行发生于吃饭。道理都一样，如果不存在一定的先后顺序，会有不可预见的‘灾难’

注意

​ 两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行！happens-before仅仅要求一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前

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例子

​ 下面用一个简单的例子来描述happens-before的原则：

  private static int i = 1;

    public static void main(String[] args) {
        write(2);
        System.out.println(read());
    }

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

    public static int read() {
        return i;
    }

如果我们约定现在有两个线程，线程A执行write()，线程B执行read()，那么如果不约定号两个线程的执行顺序，那么很有可能会出现线程B执行时，数据还是旧的，那么就导致线程A 的操作毫无意义！！！所以按约定执行该两个线程并不存在happens-before的规则。

总结 ：happens-before原则时JMM中非常重要的原则，它时判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。用于判断多线程环境下数据的可见性。