JMM之happens-before整理

2023-11-03 12:09:40

Java内存模型（Java Memory Model，简称JMM）是围绕着在并发过程中如何处理原子性，可见性和有序性这三个特征来建立的；

其中关于JMM中的有序性这一特性的处理，在《深入理解Java虚拟机》12.3.6先行发生原则有这么一段话，如下：

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关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证；

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；

参考：[https://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr133.pdf]

　　　[https://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html]

Happens-Before原则

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；即如果A happens-before B，那么JMM可以保证A操作的结果对B可见，且A的执行顺序排在B之前；

　　伪代码如下：

// 以下操作在线程A中完成
i = 1;

// 以下操作在线程B中完成
j = i;

　　假设线程A中的操作“i = 1”先行发生于线程B的操作”j = 1“，那么我们就可以确定在线程B的操作执行后，变量j的值一定等于1；

　　根据先行发生原则，线程A的”i = 1“的结果可以被线程B观察到，还有就是线程A结束后，没有其他线程会修改变量i的值；

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，JMM允许这种重排序，即JMM对编译器和处理器重排序的约束原则；

　　摘自《Java并发编程的艺术》的3.2.3 程序顺序规则

　　伪代码如下：

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

　　这个例子存在3个happens-before关系，如下：

A happens-before B
B happens-before C
A happens-before C

　　在这三个happens-before关系中，第2个和第3个的对执行结果顺序依赖是必须的，而第1个不是必要的；

注：这里的提到的两个操作可以是在一个线程内，也可以是在不同的线程内；

重排序

重排序分为下面两类

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对于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构的重排序，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构的重排序，JMM对编译器和处理不做要求（JMM允许这种重排序）；

as-if-serial：

不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程执行的程序结果不能被改变（as-if-serial语义保护单线程程序）；编译器，runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义；

例子如下：

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

这个例子存在3个happens-before关系，如下：

A happens-before B
B happens-before C
A happens-before C

在这三个happens-before关系中，A和C之间存在数据依赖关系，同时B和C之前也存在数据依赖关系，因此在最终执行的指令序列中，C不能被重排序到A和B前面；

先行发生规则

程序次序规则
- 在一个线程内，按照代码顺序，写在前面的操作先行发生于写在后面的操作，即前一个操作的结果可以被后续的操作获取；如：前面一个操作把变量a赋值为1，那后面一个操作肯定能知道a已经变成了1；
管程锁定规则
- 同一个锁，一个unlock操作先行发行于后面（这里的“后面”指时间上的前后）对同一个锁的lock操作；
volatile变量规则
- 对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，前面的写对后面（这里的“后面”是指时间上的先后）的读是可见的；
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；
线程终止规则
- 线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行；
线程中断规则
- 对线程interrupt方法的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，可以通过Thread#interruptred方法检测是否有中断发生；

　　　　　　Thread#interrupted静态方法，判断线程是否被中断，并清除当前中断状态，这个方法做了两件事：

1. 返回当前线程的中断状态；
2. 将当前线程的中断状态设为false；

　　　　Thread#interrupt方法仅仅是设置线程的中断状态为true，不会停止线程；

　　　　　其中，当对一个线程调用Thread#interrupt方法时，如果线程处于正常活动状态，那么会将该线程的中断标志设置为 true，被设置中断标志的线程将继续正常运行，不受影响，Thread#interrupt并不能真正的中断线程，需要被调用的线程自己进行配合才行；如果线程处于被阻塞状态（例如调用sleep，wait，join等方法），在别的线程中调用当前线程对象的interrupt方法，那么线程将立即退出被阻塞状态，并抛出一个InterruptedException异常；

对象终止规则
- 一个对象的初始化完成（构造方法执行结束）先行发生于它的finalize方法的开始；即对象没有完成初始化之前是不能调用finalized方法的；
传递性
- 如果操作A先发生于操作B，操作B先发生于操作C，那么就可以得出操作A先行发生于操作C的结论；

如果代码中两个操作之间的关系不在此列，并无法从以上规则推导出来，则它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序；

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Happens-Before原则

重排序

先行发生规则

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