Java內(nèi)存模型之happens-before的示例分析

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Java內(nèi)存模型之happens-before的示例分析，小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

簡(jiǎn)介

happens-before是JMM的核心概念。理解happens-before是了解JMM的關(guān)鍵。

1、設(shè)計(jì)意圖

JMM的設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)方面，分別是程序員角度和編譯器、處理器角度：

• 程序員角度，希望內(nèi)存模型易于理解、易于編程。希望是一個(gè)強(qiáng)內(nèi)存模型。

• 編譯器和處理器角度，希望減少對(duì)它們的束縛，以至于編譯器和處理器可以做更多的性能優(yōu)化。希望是一個(gè)弱內(nèi)存模型。

因此JSR-133專家組設(shè)計(jì)JMM的核心目標(biāo)就兩個(gè)：

為程序員提供足夠強(qiáng)的內(nèi)存模型對(duì)編譯器和處理器的限制盡可能少

下面通過一段代碼來(lái)看JSR-133如何實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)：

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

上述代碼存在如下happens-before關(guān)系：

1. A happens-before B

2. B happens-before C

3. A happens-before C

這3個(gè)happens-before關(guān)系中，第二個(gè)和第三個(gè)是必須的，而第一個(gè)是非必須的（A、B操作之間重排序，程序執(zhí)行結(jié)果不會(huì)發(fā)生改變）。
JMM把happens-before要求禁止的重排序分為下面的兩類：

• 會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序

• 不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序

JMM對(duì)這兩種不同性質(zhì)的重排序，采取了不同的策略：

• 對(duì)于會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止

• 對(duì)于不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM不做要求（JMM運(yùn)行）

JMM設(shè)計(jì)示意圖：

總結(jié)：

• JMM給程序員提供的happens-before規(guī)則能滿足程序員的需求。簡(jiǎn)單易懂，具有足夠強(qiáng)的內(nèi)存可見性保證。

• JMM對(duì)編譯器和處理器的束縛盡可能少。遵循的原則是：不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（正確同步或單線程執(zhí)行），編譯器和處理器可以任意優(yōu)化。

 2、happens-before的定義

起源：
happens-before規(guī)則來(lái)源于Leslie Lamport《Time, Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》。該論文中使用happens-before來(lái)定義分布式系統(tǒng)中事件之間的偏序關(guān)系（partial ordering），該文中給出了一個(gè)分布式算法，能用來(lái)將偏序關(guān)系擴(kuò)展為某種全序關(guān)系。

Java中的應(yīng)用：
JSR-133使用happens-before來(lái)指定兩個(gè)操作之間的執(zhí)行順序。JMM可以通過happens-before關(guān)系向程序員提供跨線程的內(nèi)存可見性保證。

《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》對(duì)happens-before關(guān)系的定義如下：

如果操作A happens-before 操作B，那么A操作的執(zhí)行結(jié)果將會(huì)對(duì)操作B可見，且操作A的執(zhí)行順序排在操作B之前——JMM對(duì)程序員的承諾兩個(gè)操作存在happens-before關(guān)系，并不意味著Java平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)必須按照happens-before的順序來(lái)執(zhí)行。如果重排序不改變程序執(zhí)行結(jié)果（與happens-before）規(guī)則一致，那么這種重排序是不非法的（JMM允許這種重排序）?！狫MM對(duì)編譯器和處理器的束縛原則

happens-before和as-if-serial語(yǔ)義：
從上述來(lái)看，happens-before和as-if-serial語(yǔ)義本質(zhì)上是一回事

• as-if-serial語(yǔ)義保證單線程內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變，happens-before關(guān)系保證正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不改變

• as-if-serial語(yǔ)義給編程者一種單線程是按程序順序執(zhí)行的幻境；happens-before關(guān)系給編程者一種正確同步的多線程是按照happens-before指定的順序執(zhí)行的幻境。

兩者的目的都是為了在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的提高程序的執(zhí)行效率。

3、happens-before規(guī)則

《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》定義了如下happens-before規(guī)則

• 程序順序規(guī)則

• 監(jiān)視器鎖規(guī)則

• volatile變量規(guī)則

• 傳遞性

• start()規(guī)則

• join()規(guī)則

3.1 volatile寫-讀

volatile寫-讀建立的happens-before關(guān)系

分析上圖：

1. 1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序順序規(guī)則產(chǎn)生。由于編譯器和處理器遵循as-if-serial語(yǔ)義，也就是說，as-if-serial語(yǔ)義保證了程序順序規(guī)則。因此可以把程序順序規(guī)則看成是對(duì)as-if-serial語(yǔ)義的“封裝”。

2. 2 happens-before 3 是有volatile規(guī)則產(chǎn)生。一個(gè)volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對(duì)這個(gè)volatile變量的最后寫入。

3. 1 happens-before 4 是由傳遞性規(guī)則產(chǎn)生的。這里的傳遞性是由volatile的內(nèi)存屏障插入策略和volatile的編譯器重排序規(guī)則來(lái)共同保證的。

3.2 start()規(guī)則

假設(shè)線程A在執(zhí)行的過程中，通過執(zhí)行ThreadB.start()來(lái)啟動(dòng)線程B；同時(shí)，假設(shè)線程A在執(zhí)行ThreadB.start()之前修改了一個(gè)共享變量，線程B在執(zhí)行后會(huì)讀取這些共享變量。
start()程序?qū)?yīng)的happens-before關(guān)系圖：

分析上圖：

• 1 happens-before

• 2 由程序順序規(guī)則產(chǎn)生2 happens-before 4 由start規(guī)則產(chǎn)生

• 1 happens-before 4 由傳遞性規(guī)則產(chǎn)生

因此線程A執(zhí)行ThreadB.start()之前對(duì)共享變量所做的修改，在線程B執(zhí)行后都將確保對(duì)線程B可見。

3.3 join()規(guī)則

假設(shè)線程A執(zhí)行的過程中，通過執(zhí)行ThreadB.join()來(lái)等待線程B終止；則線程B在終止之前修改了一些共享變量，線程A從ThreadB.join()返回后會(huì)讀這些共享變量。
join()程序的happens-before關(guān)系圖：

分析上圖：

1. 2 happens-before

2. 4 由join()規(guī)則產(chǎn)生4 happens-before 5 由程序順序規(guī)則產(chǎn)生

3. 2 happens-before 5 由傳遞性規(guī)則產(chǎn)生

因此線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，線程B中任意操作都將對(duì)線程A可見。

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