一、前言

關于 Happens-before，《Java 并發(fā)編程的藝術》書中是這樣介紹的：

Happens-before 是 JMM 最核心的概念。對應 Java 程序員來說，理解 Happens-before 是理解 JMM 的關鍵。

《深入理解 Java 虛擬機 - 第 3 版》書中是這樣介紹的：

Happens-before 是 JMM 的靈魂，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競爭，線程是否安全的非常有用的手段。

我想，這兩句話就已經(jīng)足夠表明 Happens-before 原則的重要性。

那為什么 Happens-before 被不約而同的稱為 JMM 的核心和靈魂呢？

二、JMM 設計者的難題與完美的解決方案

事實上，從 JMM 設計者的角度來看，可見性和有序性其實是互相矛盾的兩點：

• 一方面，對于程序員來說，我們希望內存模型易于理解、易于編程，為此 JMM 的設計者要為程序員提供足夠強的內存可見性保證，專業(yè)術語稱之為 “強內存模型”。
• 而另一方面，編譯器和處理器則希望內存模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化（比如重排序）來提高性能，因此 JMM 的設計者對編譯器和處理器的限制要盡可能地放松，專業(yè)術語稱之為 “弱內存模型”。

對于這個問題，從 JDK 5 開始，也就是在 JSR-133 內存模型中，終于給出了一套完美的解決方案，那就是 Happens-before 原則，Happens-before 直譯為 “先行發(fā)生”，《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》對 Happens-before 關系的定義如下：

1）如果一個操作 Happens-before 另一個操作，那么第一個操作的執(zhí)行結果將對第二個操作可見，而且第一個操作的執(zhí)行順序排在第二個操作之前。

2）兩個操作之間存在 Happens-before 關系，并不意味著 Java 平臺的具體實現(xiàn)必須要按照 Happens-before 關系指定的順序來執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結果，與按 Happens-before 關系來執(zhí)行的結果一致，那么這種重排序并不非法（也就是說，JMM 允許這種重排序）

并不難理解，第 1 條定義是 JMM 對程序員強內存模型的承諾。從程序員的角度來說，可以這樣理解 Happens-before 關系：如果 A Happens-before B，那么 JMM 將向程序員保證 — A 操作的結果將對 B 可見，且 A 的執(zhí)行順序排在 B 之前。注意，這只是 Java內存模型向程序員做出的保證！

需要注意的是，不同于 as-if-serial 語義只能作用在單線程，這里提到的兩個操作 A 和 B 既可以是在一個線程之內，也可以是在不同線程之間。也就是說，Happens-before 提供跨線程的內存可見性保證。

針對這個第 1 條定義，我來舉個例子：

// 以下操作在線程 A 中執(zhí)行
i = 1; // a

// 以下操作在線程 B 中執(zhí)行
j = i; // b

// 以下操作在線程 C 中執(zhí)行
i = 2; // c

假設線程 A 中的操作 a Happens-before 線程 B 的操作 b，那我們就可以確定操作 b 執(zhí)行后，變量 j 的值一定是等于 1。

得出這個結論的依據(jù)有兩個：一是根據(jù) Happens-before 原則，a 操作的結果對 b 可見，即 “i=1” 的結果可以被觀察到；二是線程 C 還沒運行，線程 A 操作結束之后沒有其他線程會修改變量 i 的值。

現(xiàn)在再來考慮線程 C，我們依然保持 a Happens-before b ，而 c 出現(xiàn)在 a 和 b 的操作之間，但是 c 與 b 沒有 Happens-before 關系，也就是說 b 并不一定能看到 c 的操作結果。那么 b 操作的結果也就是 j 的值就不確定了，可能是 1 也可能是 2，那這段代碼就是線程不安全的。

再來看 Happens-before 的第 2 條定義，這是 JMM 對編譯器和處理器弱內存模型的保證，在給予充分的可操作空間下，對編譯器和處理器的重排序進行一定的約束。也就是說，JMM 其實是在遵循一個基本原則：只要不改變程序的執(zhí)行結果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。

JMM 這么做的原因是：程序員對于這兩個操作是否真的被重排序并不關心，程序員關心的是執(zhí)行結果不能被改變。

文字可能不是很好理解，我們舉個例子，來解釋下第 2 條定義：雖然兩個操作之間存在 Happens-before 關系，但不意味著 Java 平臺的具體實現(xiàn)必須要按照 Happens-before 關系指定的順序來執(zhí)行。

int a = 1; 		// A
int b = 2;		// B
int c = a + b;	// C

根據(jù) Happens-before 規(guī)則（下文會講），上述代碼存在 3 個 Happens-before 關系：

1）A Happens-before B

2）B Happens-before C

3）A Happens-before C

可以看出來，在 3 個 Happens-before 關系中，第 2 個和第 3 個是必需的，但第 1 個是不必要的。

也就是說，雖然 A Happens-before B，但是 A 和 B 之間的重排序完全不會改變程序的執(zhí)行結果，所以 JMM 是允許編譯器和處理器執(zhí)行這種重排序的。

看下面這張 JMM 的設計圖更直觀：

其實，可以這么簡單的理解，為了避免 Java 程序員為了理解 JMM 提供的內存可見性保證而去學習復雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實現(xiàn)方法，JMM 就出了這么一個簡單易懂的 Happens-before 原則，一個 Happens-before 規(guī)則就對應于一個或多個編譯器和處理器的重排序規(guī)則，這樣，我們只需要弄明白 Happens-before 就行了。

三、8 條 Happens-before 規(guī)則

《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》定義了如下 Happens-before 規(guī)則， 這些就是 JMM 中“天然的” Happens-before 關系，這些 Happens-before 關系無須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個操作之間的關系不在此列，并且無法從下列規(guī)則推導出來，則它們就沒有順序性保障，JVM 可以對它們隨意地進行重排序：

1）程序次序規(guī)則（Program Order Rule）：在一個線程內，按照控制流順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生（Happens-before）于書寫在后面的操作。注意，這里說的是控制流順序而不是程序代碼順序，因為要考慮分支、循環(huán)等結構。

這個很好理解，符合我們的邏輯思維。比如我們上面舉的例子：

int a = 1; 		// A
int b = 2;		// B
int c = a + b;	// C

根據(jù)程序次序規(guī)則，上述代碼存在 3 個 Happens-before 關系：

• A Happens-before B
• B Happens-beforeC
• A Happens-before C

2）管程鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）：一個 unlock 操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的 lock 操作。這里必須強調的是 “同一個鎖”，而 “后面” 是指時間上的先后。

這個規(guī)則其實就是針對 synchronized 的。JVM 并沒有把 lock 和 unlock 操作直接開放給用戶使用，但是卻提供了更高層次的字節(jié)碼指令 monitorenter 和 monitorexit 來隱式地使用這兩個操作。這兩個字節(jié)碼指令反映到 Java 代碼中就是同步塊 — synchronized。

舉個例子：

synchronized (this) { // 此處自動加鎖
	if (x < 1) {
        x = 1;
    }      
} // 此處自動解鎖

根據(jù)管程鎖定規(guī)則，假設 x 的初始值是 10，線程 A 執(zhí)行完代碼塊后 x 的值會變成 1，執(zhí)行完自動釋放鎖，線程 B 進入代碼塊時，能夠看到線程 A 對 x 的寫操作，也就是線程 B 能夠看到 x == 1。

3）volatile 變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）：對一個 volatile 變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作，這里的 “后面” 同樣是指時間上的先后。

這個規(guī)則就是 JDK 1.5 版本對 volatile 語義的增強，其意義之重大，靠著這個規(guī)則搞定可見性易如反掌。

舉個例子：

假設線程 A 執(zhí)行 writer() 方法之后，線程 B 執(zhí)行 reader() 方法。

根據(jù)根據(jù)程序次序規(guī)則：1 Happens-before 2；3 Happens-before 4。

根據(jù) volatile 變量規(guī)則：2 Happens-before 3。

根據(jù)傳遞性規(guī)則：1 Happens-before 3；1 Happens-before 4。

也就是說，如果線程 B 讀到了 “flag==true” 或者 “int i = a” 那么線程 A 設置的“a=42”對線程 B 是可見的。

看下圖：

4）線程啟動規(guī)則（Thread Start Rule）：Thread 對象的 start() 方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。

比如說主線程 A 啟動子線程 B 后，子線程 B 能夠看到主線程在啟動子線程 B 前的所有操作。

5）線程終止規(guī)則（Thread Termination Rule）：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測，我們可以通過 Thread 對象的 join() 方法是否結束、Thread 對象的 isAlive() 的返回值等手段檢測線程是否已經(jīng)終止執(zhí)行。

6）線程中斷規(guī)則（Thread Interruption Rule）：對線程 interrupt() 方法的調用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生，可以通過 Thread 對象的 interrupted() 方法檢測到是否有中斷發(fā)生。

7）對象終結規(guī)則（Finalizer Rule）：一個對象的初始化完成（構造函數(shù)執(zhí)行結束）先行發(fā)生于它的 finalize() 方法的開始。

8）傳遞性（Transitivity）：如果操作 A 先行發(fā)生于操作 B，操作 B 先行發(fā)生于操作 C，那就可以得出操作 A 先行發(fā)生于操作 C 的結論。

四、“時間上的先發(fā)生” 與 “先行發(fā)生”

上述 8 種規(guī)則中，還不斷提到了時間上的先后，那么，“時間上的先發(fā)生” 與 “先行發(fā)生（Happens-before）” 到底有啥區(qū)別？

一個操作 “時間上的先發(fā)生” 是否就代表這個操作會是“先行發(fā)生” 呢？一個操作 “先行發(fā)生” 是否就能推導出這個操作必定是“時間上的先發(fā)生”呢？

很遺憾，這兩個推論都是不成立的。

舉兩個例子論證一下：

private int value = 0;

// 線程 A 調用
pubilc void setValue(int value){    
    this.value = value;
}

// 線程 B 調用
public int getValue(){
    return value;
}

假設存在線程 A 和 B，線程 A 先（時間上的先后）調用了 setValue(1)，然后線程 B 調用了同一個對象的 getValue() ，那么線程 B 收到的返回值是什么？

我們根據(jù)上述 Happens-before 的 8 大規(guī)則依次分析一下：

由于兩個方法分別由線程 A 和 B 調用，不在同一個線程中，所以程序次序規(guī)則在這里不適用；

由于沒有 synchronized 同步塊，自然就不會發(fā)生 lock 和 unlock 操作，所以管程鎖定規(guī)則在這里不適用；

同樣的，volatile 變量規(guī)則，線程啟動、終止、中斷規(guī)則和對象終結規(guī)則也和這里完全沒有關系。

因為沒有一個適用的 Happens-before 規(guī)則，所以第 8 條規(guī)則傳遞性也無從談起。

因此我們可以判定，盡管線程 A 在操作時間上來看是先于線程 B 的，但是并不能說 A Happens-before B，也就是 A 線程操作的結果 B 不一定能看到。所以，這段代碼是線程不安全的。

想要修復這個問題也很簡單？既然不滿足 Happens-before 原則，那我修改下讓它滿足不就行了。比如說把 Getter/Setter 方法都用 synchronized 修飾，這樣就可以套用管程鎖定規(guī)則；再比如把 value 定義為 volatile 變量，這樣就可以套用 volatile 變量規(guī)則等。

這個例子，就論證了一個操作 “時間上的先發(fā)生” 不代表這個操作會是 “先行發(fā)生（Happens-before）”。

再來看一個例子：

// 以下操作在同一個線程中執(zhí)行
int i = 1;
int j = 2;

假設這段代碼中的兩條賦值語句在同一個線程之中，那么根據(jù)程序次序規(guī)則，“int i = 1” 的操作先行發(fā)生（Happens-before）于 “int j = 2”，但是，還記得 Happens-before 的第 2 條定義嗎？還記得上文說過 JMM 實際上是遵守這樣的一條原則：只要不改變程序的執(zhí)行結果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。

所以，“int j=2” 這句代碼完全可能優(yōu)先被處理器執(zhí)行，因為這并不影響程序的最終運行結果。

那么，這個例子，就論證了一個操作 “先行發(fā)生（Happens-before）” 不代表這個操作一定是“時間上的先發(fā)生”。

這樣，綜上兩例，我們可以得出這樣一個結論：Happens-before 原則與時間先后順序之間基本沒有因果關系，所以我們在衡量并發(fā)安全問題的時候，盡量不要受時間順序的干擾，一切必須以 Happens-before 原則為準。

五、Happens-before 與 as-if-serial

綜上，我覺得其實讀懂了下面這句話也就讀懂了 Happens-before 了，這句話上文也出現(xiàn)過幾次：JMM 其實是在遵循一個基本原則，即只要不改變程序的執(zhí)行結果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。

再回顧下 as-if-serial 語義：不管怎么重排序，單線程環(huán)境下程序的執(zhí)行結果不能被改變。

各位發(fā)現(xiàn)沒有？本質上來說 Happens-before 關系和 as-if-serial 語義是一回事，都是為了在不改變程序執(zhí)行結果的前提下，盡可能地提高程序執(zhí)行的并行度。只不過后者只能作用在單線程，而前者可以作用在正確同步的多線程環(huán)境下：

• as-if-serial 語義保證單線程內程序的執(zhí)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(zhí)行結果不被改變。
• as-if-serial 語義給編寫單線程程序的程序員創(chuàng)造了一個幻境：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。Happens-before 關系給編寫正確同步的多線程程序的程序員創(chuàng)造了一個幻境：正確同步的多線程程序是按 Happens-before 指定的順序來執(zhí)行的。

以上就是JMM核心概念之Happens-before原則的詳細內容，更多關于JMM Happens-before的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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