Java內存模型之happens-before概念詳解

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簡介

happens-before是JMM的核心概念。理解happens-before是瞭解JMM的關鍵。

1、設計意圖

JMM的設計需要考慮兩個方面，分別是程序員角度和編譯器、處理器角度：

  • 程序員角度，希望內存模型易於理解、易於編程。希望是一個強內存模型。
  • 編譯器和處理器角度，希望減少對它們的束縛，以至於編譯器和處理器可以做更多的性能優化。希望是一個弱內存模型。

​因此JSR-133專傢組設計JMM的核心目標就兩個：

為程序員提供足夠強的內存模型對編譯器和處理器的限制盡可能少

​下面通過一段代碼來看JSR-133如何實現這兩個目標：

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關系：

  1. A happens-before B
  2. B happens-before C
  3. A happens-before C

這3個happens-before關系中，第二個和第三個是必須的，而第一個是非必須的（A、B操作之間重排序，程序執行結果不會發生改變）。
JMM把happens-before要求禁止的重排序分為下面的兩類：

  • 會改變程序執行結果的重排序
  • 不會改變程序執行結果的重排序

JMM對這兩種不同性質的重排序，采取瞭不同的策略：

  • 對於會改變程序執行結果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止
  • 對於不會改變程序執行結果的重排序，JMM不做要求（JMM運行）

​

JMM設計示意圖：

在這裡插入圖片描述

JMM設計示意圖

總結：

  • JMM給程序員提供的happens-before規則能滿足程序員的需求。簡單易懂，具有足夠強的內存可見性保證。
  • JMM對編譯器和處理器的束縛盡可能少。遵循的原則是：不改變程序的執行結果（正確同步或單線程執行），編譯器和處理器可以任意優化。

 2、happens-before的定義

起源：
happens-before規則來源於Leslie Lamport《Time, Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》。該論文中使用happens-before來定義分佈式系統中事件之間的偏序關系（partial ordering），該文中給出瞭一個分佈式算法，能用來將偏序關系擴展為某種全序關系。

Java中的應用：
JSR-133使用happens-before來指定兩個操作之間的執行順序。JMM可以通過happens-before關系向程序員提供跨線程的內存可見性保證。

《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》對happens-before關系的定義如下：

如果操作A happens-before 操作B，那麼A操作的執行結果將會對操作B可見，且操作A的執行順序排在操作B之前——JMM對程序員的承諾兩個操作存在happens-before關系，並不意味著Java平臺的具體實現必須按照happens-before的順序來執行。如果重排序不改變程序執行結果（與happens-before）規則一致，那麼這種重排序是不非法的（JMM允許這種重排序）。——JMM對編譯器和處理器的束縛原則

​happens-before和as-if-serial語義：
從上述來看，happens-before和as-if-serial語義本質上是一回事

  • as-if-serial語義保證單線程內程序的執行結果不被改變，happens-before關系保證正確同步的多線程程序的執行結果不改變
  • as-if-serial語義給編程者一種單線程是按程序順序執行的幻境；happens-before關系給編程者一種正確同步的多線程是按照happens-before指定的順序執行的幻境。

兩者的目的都是為瞭在不改變程序執行結果的前提下，盡可能的提高程序的執行效率。

3、happens-before規則

《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》定義瞭如下happens-before規則

  • 程序順序規則
  • 監視器鎖規則
  • volatile變量規則
  • 傳遞性
  • start()規則
  • join()規則

3.1 volatile寫-讀

volatile寫-讀建立的happens-before關系

在這裡插入圖片描述

happens-before關系示意圖

分析上圖：

  1. 1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序順序規則產生。由於編譯器和處理器遵循as-if-serial語義，也就是說，as-if-serial語義保證瞭程序順序規則。因此可以把程序順序規則看成是對as-if-serial語義的“封裝”。
  2. 2 happens-before 3 是有volatile規則產生。一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量的最後寫入。
  3. 1 happens-before 4 是由傳遞性規則產生的。這裡的傳遞性是由volatile的內存屏障插入策略和volatile的編譯器重排序規則來共同保證的。

3.2 start()規則

假設線程A在執行的過程中，通過執行ThreadB.start()來啟動線程B；同時，假設線程A在執行ThreadB.start()之前修改瞭一個共享變量，線程B在執行後會讀取這些共享變量。
start()程序對應的happens-before關系圖：

在這裡插入圖片描述

分析上圖：

  • 1 happens-before
  • 2 由程序順序規則產生2 happens-before 4 由start規則產生
  • 1 happens-before 4 由傳遞性規則產生

因此線程A執行ThreadB.start()之前對共享變量所做的修改，在線程B執行後都將確保對線程B可見。

3.3 join()規則

假設線程A執行的過程中，通過執行ThreadB.join()來等待線程B終止；則線程B在終止之前修改瞭一些共享變量，線程A從ThreadB.join()返回後會讀這些共享變量。
join()程序的happens-before關系圖：

在這裡插入圖片描述

分析上圖：

  1. 2 happens-before
  2. 4 由join()規則產生4 happens-before 5 由程序順序規則產生
  3. 2 happens-before 5 由傳遞性規則產生

因此線程A執行操作ThreadB.join()並成功返回，線程B中任意操作都將對線程A可見。

文章總結至《Java並發編程藝術》，下篇總結“雙重檢查所定與延遲初始化”，敬請關註。

以上就是Java內存模型之happens-before概念詳解的詳細內容，更多關於Java內存模型 happens-before的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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