高并发编程-happens-before

文章目录

概述

happens-before定义

happens-before规则

7个原则

volatile变量规则

start()规则

join()规则

happens-before与JMM的关系

JMM的设计

概述

happens-before是JMM最核心的概念，理解happens-before是理解JMM的关键

从JDK 5开始，Java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。

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要存在happens-before关系。

这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。

happens-before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，也可以是在不同线程之间。因此，JMM可以通过happens-before关系向开发人员提供跨线程的内存可见性保证（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操作可见）。

happens-before规则

7个原则

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

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。

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。

传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C

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()操作happens-before于线程B中的任意操作。

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。

volatile变量规则

volatile写-读建立的happens-before关系图如下

·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。下图是该程序对应的happens-before关系图。

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。这实意味着，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。 该程序对应的happens-before关系图如下：

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。

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仅仅要求前一个操作（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（the first is visible to and ordered before the second）

happens-before与JMM的关系

如上图所示，一个 happens-before 规则通常对应于多个编译器重排序规则和处理器重排序规则。对于开发人员来说，happens-before 规则简单易懂，它避免程序员为了理解 JMM 提供的内存可见性保证而去学习复杂的重排序规则以及这些规则的具体实现

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

开发人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。

开发人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。

编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

由于这两个因素互相矛盾，所以JSR-133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 。

举个例子来看JSR-133是如何实现这一目标的

double pi = 3.14;　　// A double r = 1.0;　　　　// B double area = pi * r * r;　// C

1

2

3

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。

1

2

3

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重排序

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）。

从上图可以看出两点，如下

JMM向程序员提供的happens-before规则能满足程序员的需求。

JMM的happens-before规则不但简单易懂，而且也向开发人员提供了足够强的内存可见性保证（有些内存可见性保证其并不一定真实存在，比如上面的A happens-before B）

·JMM对编译器和处理器的束缚已经尽可能少。从上面的分析可以看出，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。

Java 任务调度

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