Java記憶體模型之happens-before

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轉載自    http://www.cnblogs.com/chenssy/p/6393321.html

 

無論處理器、JVM、編譯器都會都保證程式正確的前提下儘可能的對指令執行效率進行最佳化,進行指令重排等操作。而要保證程式的執行結果的正確,則必須要遵循JMM中規定的happens-before原則。

在Java記憶體模型(JMM)中,如果一個操作的執行結果需要對另一個操作可見,那麼兩個操作必須要存在happens-before關係。 happens-before原則非常重要,它是判斷資料是否存在競爭,線程是否安全的主要依據,保證了多線程環境下的可見度,依據這個原則可以解決並發 操作可能存在的所有衝突問題。

happens-before原則主要包含單線程程式次序規則,鎖定規則,volatile變數可見度規則,傳遞性規則,線程啟動、中斷、終結join規則,對象的終結規則(初始化完成先發生於它的銷毀操作)

happens-before原則定義如下:

1. 如果一個操作happens-before另一個操作,那麼第一個操作的執行結果將對第二個操作可見,而且第一個操作的執行順序排在第二個操作之前。 
2. 兩個操作之間存在happens-before關係,並不意味著一定要按照happens-before原則制定的順序來執行。如果重排序之後的執行結果與按照happens-before關係來執行的結果一致,那麼這種重排序並不非法。

下面是happens-before原則規則:

  1. 程式次序規則:一個線程內,按照代碼順序,書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作;
  2. 鎖定規則:一個unLock操作先行發生於後面對同一個鎖額lock操作;
  3. volatile變數規則:對一個變數的寫操作先行發生於後面對這個變數的讀操作;
  4. 路由規則:如果操作A先行發生於操作B,而操作B又先行發生於操作C,則可以得出操作A先行發生於操作C;
  5. 線程啟動規則:Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每個一個動作;
  6. 線程中斷規則:對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生;
  7. 線程終結規則:線程中所有的操作都先行發生於線程的終止檢測,我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的傳回值手段檢測到線程已經終止執行;
  8. 對象終結規則:一個對象的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始;

我們來詳細看看上面每條規則(摘自《深入理解Java虛擬機器第12章》):

程式次序規則:一段代碼在單線程中執行的結果是有序的。注意是執行結果,因為虛擬機器、處理器會對指令進行重排序(重排序後面會詳細介紹)。雖然重排序了,但是並不會影響程式的執行結果,所以程式最終執行的結果與順序執行的結果是一致的。故而這個規則只對單線程有效,在多線程環境下無法保證正確性。

鎖定規則:這個規則比較好理解,無論是在單線程環境還是多線程環境,一個鎖處於被鎖定狀態,那麼必須先執行unlock操作後面才能進行lock操作。

volatile變數規則:這是一條比較重要的規則,它標誌著volatile保證了線程可見度。通俗點講就是如果一個線程先去寫一個volatile變數,然後一個線程去讀這個變數,那麼這個寫操作一定是happens-before讀操作的。

路由規則:提現了happens-before原則具有傳遞性,即A happens-before B , B happens-before C,那麼A happens-before C

線程啟動規則:假定線程A在執行過程中,通過執行ThreadB.start()來啟動線程B,那麼線程A對共用變數的修改在接下來線程B開始執行後確保對線程B可見。

線程終結規則:假定線程A在執行的過程中,通過制定ThreadB.join()等待線程B終止,那麼線程B在終止之前對共用變數的修改線上程A等待返回後可見。

上面八條是原生Java滿足Happens-before關係的規則,但是我們可以對他們進行推匯出其他滿足happens-before的規則:

  1. 將一個元素放入一個安全執行緒的隊列的操作Happens-Before從隊列中取出這個元素的操作
  2. 將一個元素放入一個安全執行緒容器的操作Happens-Before從容器中取出這個元素的操作
  3. 在CountDownLatch上的倒數操作Happens-Before CountDownLatch#await()操作
  4. 釋放Semaphore許可的操作Happens-Before獲得許可操作
  5. Future表示的任務的所有操作Happens-Before Future#get()操作
  6. 向Executor提交一個Runnable或Callable的操作Happens-Before任務開始執行操作

這裡再說一遍happens-before的概念:如果兩個操作不存在上述(前面8條 + 後面6條)任一一個happens-before規則,那麼這兩個操作就沒有順序的保障,JVM可以對這兩個操作進行重排序。如果操作A happens-before操作B,那麼操作A在記憶體上所做的操作對操作B都是可見的。

下面就用一個簡單的例子來描述下happens-before原則:

1 private int i = 0;public void write(int j ){    i = j;}public int read(){    return i;}

我們約定線程A執行write(),線程B執行read(),且線程A優先於線程B執行,那麼線程B獲得結果是什嗎?;我們就這段簡單的代碼一次分析happens-before的規則(規則5、6、7、8 + 推導的6條可以忽略,因為他們和這段代碼毫無關係):

  1. 由於兩個方法是由不同的線程調用,所以肯定不滿足程式次序規則;
  2. 兩個方法都沒有使用鎖,所以不滿足鎖定規則;
  3. 變數i不是用volatile修飾的,所以volatile變數規則不滿足;
  4. 路由規則肯定不滿足;

所以我們無法通過happens-before原則推匯出線程A happens-before線程B,雖然可以確認在時間上線程A優先於線程B指定,但是就是無法確認線程B獲得的結果是什麼,所以這段代碼不是安全執行緒 的。那麼怎麼修複這段代碼呢?滿足規則2、3任一即可。

happen-before原則是JMM中非常重要的原則,它是判斷資料是否存在競爭、線程是否安全的主要依據,保證了多線程環境下的可見度。

是happens-before與JMM的關係圖(摘自《Java並發編程的藝術》)

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