Java内存模型中的happens-before

411 阅读7分钟

目录


1、Java内存模型的基础
2、Java内存模型中的顺序一致性
3、happens-before
4、同步原语(volatile、synchronized、final)
5、双重检查锁定与延迟初始化
6、Java内存模型综述

Java内存模型的设计


Java内存模型的设计有两个关键概念:

1、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。程序员希望基于一强内存模型来编写代码。
2、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他们的束缚越少越好,这样它们就能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。

上面这两点明显互斥,所以专家组在设计Java内存模型的核心目标就是找到一个平衡点:一方面要为程序员提供足够强的内存可见性保证,另一方面对处理器和编译器的限制要尽可能的放松。如前一章的例子:

double a = 3.14;        // A
double b = 1.0;         // B
dounle c = a * b * b;   // C

这个例子存在3个happens-before关系,分别如下:

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

在这三个关系中,2和3是必须的,而1是不必要的,因此,Java内存模型把happens-before要求禁止的重排序分为了下面两类:

1、会改变程序结果的重排序
2、不会改变程序结果的重排序

Java内存模型对于这两种不同性质的重排序,采取了不同的策略,如下:

1、对于会改变程序执行结果的重排序,Java内存模型要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。
2、对于不会改变程序结果的重排序,Java内存模型对编译器和处理器不做强制要求。

Java内存模型设计图如下:

如上图可以看出两点:

1、Java内存模型向程序员提供的happens-before规则能满足程序员的需求。Java内存模型的happens-before规则不但简单易懂,而且也向程序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实并不一定真实存在,比如上面的A happens-before B)。
2、Java内存模型对编译器和处理器的束缚尽可能减少,如果重排序操作不影响程序最终执行结果,那么编译器和处理器可以随便优化程序,如果会改变程序执行结果,那么Java内存模型会明令禁止优化。

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。由于这两个操作可能在一个线程之内,也可以是在不同线程之间。因此,Java内存模型可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证(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,但内存模型向程序员保证a操作将对b操作可见)。

1、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。
2、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,与按照happens-before关系来执行的结果一致,那么这种重排序并不非法。

第一点是内存模型对程序员的承诺。如果A happens-before B,那么内存模型向程序员保证,A的操作对B可见,并且A的操作排在B之前,注意,这只是内存模型对程序员做的保证(实际并不是这样,就相当于Java内存模型是个渣男,脚踩两只船,一边是程序员,一边是编译器和处理器,内存模型对程序员保证,但是编译器和处理器是否重排序还是按照最终结果是否改变来判断)。
第二点是内存模型对编译器和处理器重排序的约束原则。不改变最终执行结果的话,随便编译器和处理器优化,一但会改变最终执行结果,就必然禁止。因此,happens-before关系本质上和as-if-serial语义是同一回事。

1、as-if-serial语义保证但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中的执行结果不被改变。
2、as-if-serial语义给编写单线程程序的程序员创造了一个幻境:单线程程序是按照程序顺序来执行的。happens-before关系给编写正确同步的多线程程序的程序员创造了一个幻境:正确同步的多线程程序是按happens-before指定的顺序来执行。

as-if-serial语义和happens-before这么做的目的,都是为了在不改变程序最终执行结果的前提下,尽可能的提高程序并发的执行度。

happens-before的规则


happens-before的规则如下:

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),那么线程A的ThreadB.start()操作的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()操作返回。

volatile写-读建立的happens-before关系图:

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,这也就是说,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堪称是对as-if-serial语义的“封装”。
2 happens-before 3是由volatile规则产生。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()前修改了一些共享变量,线程B启动之后就会读这些共享变量,关系图如下:

上图中,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,这意味着,线程A在执行ThreadB.start()之前对共享变量做的修改,接下来在线程B开始执行后豆浆确保对线程B可见。

join()规则:假设线程A在执行过程中,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。关系图:

上图中,2 happens-before 5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。

总结


由上述各种happens-before规则保证了,在单线程或者正确同步的多线程程序中,对共享变量的修改能即时可见。

如果有需要的话可以关注一下我的公众号,会即时更新Java相关技术文章,公众号内还有一些实用资料,如Java秒杀系统视频教程、黑马2019的教学资料(IDEA版)、BAT面试题汇总(分类齐全)、MAC电脑常用安装包(有一些是淘宝买的,已PJ的)。