多线程 happens-before规则

简介

happen before 在之前发生
Java使用新的JSR-133内存模型,JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。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。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内,也可以是在不同线程之间

规则

  1. 程序顺序规则:在一个单独的线程中,按照程序代码的执行流顺序,(时间上)先执行的操作happen—before(时间上)后执行的操作。
  2. 管理锁定规则:一个unlock操作happen—before后面(时间上的先后顺序,下同)对同一个锁的lock操作。
  3. volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作happen—before后面对该变量的读操作。
  4. 线程启动规则:Thread对象的start()方法happen—before此线程的每一个动作。
  5. 线程终止规则:线程的所有操作都happen—before对此线程的终止检测,可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
  6. 线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用happen—before发生于被中断线程的代码检测到中断时事件的发生。
  7. 对象终结规则:一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)happen—before它的finalize()方法的开始。
  8. 传递性:如果操作A happen—before操作B,操作B happen—before操作C,那么可以得出A happen—before操作C。
    需要注意的是
    两个操作之间具有happens-before关系,并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行!happens-before仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。

对于java程序员来说,happens-before规则简单易懂,它避免java程序员为了理解JMM提供的内存可见性保证而去学习复杂的重排序规则以及这些规则的具体实现。

happens-before的定义

happens-before的概念最初由Leslie Lamport在其一篇影响深远的论文(《Time,Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》)中提出。Leslie Lamport使用happens-before来定义分布式系统中事件之间的偏序关系(partial ordering)。Leslie Lamport在这篇论文中给出了一个分布式算法,该算法可以将该偏序关系扩展为某种全序关系。

全序是指,集合中的任两个元素之间都可以比较的关系。比如实数中的任两个数都可以比较大小,那么“大小”就是实数集的一个全序关系。
偏序是指,集合中只有部分元素之间可以比较的关系。比如复数集中并不是所有的数都可以比较大小,那么“大小”就是复数集的一个偏序关系。显然,全序关系必是偏序关系。反之不成立。

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(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操作在不同的线程中执行,但JMM向程序员保证a操作将对b操作可见)。

《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》对happens-before关系的定义如下。
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happens-before关系来执行的结果一致,那么这种重排序并不非法(也就是说,JMM允许这种重排序)。

上面的1)是JMM对程序员的承诺。从程序员的角度来说,可以这样理解happens-before关系:如果A happens-before B,那么Java内存模型将向程序员保证——A操作的结果将对B可见,且A的执行顺序排在B之前。注意,这只是Java内存模型向程序员做出的保证!
上面的2)是JMM对编译器和处理器重排序的约束原则。正如前面所言,JMM其实是在遵循一个基本原则:只要不改变程序的执行结果(指的是单线程程序和正确同步的多线程程序),编译器和处理器怎么优化都行。JMM这么做的原因是:程序员对于这两个操作是否真的被重排序并不关心,程序员关心的是程序执行时的语义不能被改变(即执行结果不能被改变)。因此,happens-before关系本质上和as-if-serial语义是一回事。

密切相关规则

与程序员密切相关的happens-before规则如下:

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。
监视器锁规则:对一个监视器锁的解锁,happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。
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。
传递性:如果A happens- before B,且B happens- before C,那么A happens- before C。
注意,两个操作之间具有happens-before关系,并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行!happens-before仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一个操作按顺序排在第二个操作之前(the first is visible to and ordered before the second)。

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