并发编程03-Java内存模型03(happens-before)

happens-before是JMM最核心的概念。

JMM的设计

从JMM设计者的角度,在设计JMM时,需要考虑两个关键因素

• 程序员对内存模型的使用.程序员希望内存模型易于理解,易于编程.程序员希望基于一个强内存模型来编写代码.
• 编译器和处理器对内存模型的实现.编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好,这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能.编译器和处理器就希望实现一个弱内存模型.

由于这两个因素相互矛盾.，所以JSR-133专家组在设计JMM时的核心目标就是找到一个好的平衡点:一方面,要为程序员提供足够强的内存可见性保证;另一方面,对编译器和处理器的限制要尽可能地放松.

上面计算圆的面积的示例代码存在3个happens-before关系，如下。
·A happens-before B。
·B happens-before C。
·A happens-before C。

在3个happens-before关系中，2和3是必需的，但1是不必要的。因此，JMM把happens-before要求禁止的重排序分为了下面两类。

• 会改变程序执行结果的重排序
• 不会改变程序执行结果的重排序

JMM对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略，如下。

• 对于会改变程序执行结果的重排序,JMM要求编译器和处理器必须禁止这种排序.
• 对于不会改变程序执行结果的重排序,JMM对编译器和处理器不做要求(JMM允许这种重排序)
  
  JMM的设计示意图

有些内存可见性保证其实并不一定真实存在，比如上面的A happens-before B

JMM其实是在遵循一个基本原则:只要不改变程序的执行结果(指的是单线程程序和正确同步的多线程程序),编译器和处理器怎么优化都行.例如,如果编译器经过细致的分析后,认定一个锁之后被单个线程访问,那么这个锁就可以被消除.再如,如果编译器经过细致的分析后,认定一个volatile变量只会被单个线程访问,那么编译器可以把这个volatile变量当做一个普通变量来对待.这些优化既不会改编程序的执行结果.又能提高程序的执行效率.

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happens-before的定义

JSR-133使用happens-before的概念来指定两个操作之间的执行顺序。由于这两个操作可以在一个线程之内,也可以在多个线程之内,也可以是在不同线程之间.因此,JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性(如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系,尽管a操作和b操作在不同的线程中执行,但JMM向程序员保证a操作将对b操作课件)

《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》对happens-before关系的定义如下

• (程序员角度):
  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。
• (编译器和处理器重排序的约束规则角度):
  两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法（也就是说，JMM允许这种重排序）。

程序员对于这两个操作是否真的被重排序并不关心，程序员关心的是程序执行时的语义不能被改变（即执行结果不能被改变）。因此，happens-before关系本质上和as-if-serial语义是一回事。

·as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。

as-if-serial语义和happens-before这么做的目的，都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能地提高程序执行的并行度。

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happens-before规则

• 1）程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before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。
• 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。
• 4）传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
• 5）start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()之前的操作happens-before于线程B中的任意操作。

• 6）join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回后，线程B中的任意操作都将对线程A可见。

  
  
  happens-before关系的示意图1

1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序顺序规则产生。由于编译器和处理器都要遵守as-if-serial语义，也就是说，as-if-serial语义保证了程序顺序规则。因此，可以把程序顺序规则看成是对as-if-serial语义的“封装”。

·2 happens-before 3是由volatile规则产生。前面提到过，对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）之前对这个volatile变量最后的写入。因此，volatile的这个特性可以保证实现volatile规则。

1 happens-before 4是由传递性规则产生的。这里的传递性是由volatile的内存屏障插入策略和volatile的编译器重排序规则共同来保证的。

start()规则
假设线程A在执行的过程中，通过执行ThreadB.start()来启动线程B；同时，假设线程A在执行ThreadB.start()之前修改了一些共享变量，线程B在开始执行后会读这些共享变量。

happens-before关系的示意图2

1 happens-before 2由程序顺序规则产生。2 happens-before 4由start()规则产生。根据传递性，将有1 happens-before 4。这就意味着，线程A在执行ThreadB.start()之前对共享变量所做的修改，接下来在线程B开始执行后都将确保对线程B可见。

join规则
假设线程A在执行的过程中，通过执行ThreadB.join()来等待线程B终止；同时，假设线程B在终止之前修改了一些共享变量，线程A从ThreadB.join()返回后会读这些共享变量。

happens-before关系的示意图3

2 happens-before 4由join()规则产生；4 happens-before 5由程序顺序规则产生。根据传递性规则，将有2 happens-before 5。这意味着，线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回后，线程B中的任意操作都将对线程A可见。

参考书籍:<>