JAVA内存模型和Happens-Before规则

前言

上一篇文章王子给大家介绍了并发编程中比较关心的三个核心问题，可见性、有序性和原子性。

今天我们继续来探索并发编程的内容，聊一聊JAVA的内存模型和Happens-Before规则。

JAVA内存模型

这里的JAVA内存模型指的不是我们JVM专栏中提到的内存分布模型，而是针对并发编程的，小伙伴们不要混淆概念了。

我们已经知道，导致可见性问题的是缓存，导致有序性问题的是指令重排，那么禁用缓存和禁用指令重排不就可以避免出现这两种问题了吗。

但想想也知道，如果直接禁用掉，性能会大打折扣，所以正确的方式应该是按需禁用。

只有程序员才能分析出什么时候应该禁用，所以为了解决可见性和有序性，其实只要提供给程序员按需禁用的API接口就可以了。

JAVA的内存模型是一个很复杂的规范，可以从不同的角度来解释，本质上我们可以理解成JAVA内存模型规范了JVM如何按需禁用缓存和禁用指令重排。

具体来说这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 等关键字，以及六项 Happens-Before 规则。

volatile不是JAVA独有的关键字，它最开始的含义就是禁用CPU缓存，JAVA1.5之后对它进行了语义加强，就是引入了一套Happens-Before 规则。

例如下面的代码：

class VolatileExample {

  int x = 0;

  volatile boolean v = false;

  public void writer() {

    x = 42;

    v = true;

  }

  public void reader() {

    if (v == true) {

      // 这里 x 会是多少呢？

    }

  }

}

假如线程A执行了writer方法，线程B执行reader方法，如果线程B发现了v=true，那么同时也会发现x=42。

Happens-Before 规则

接下来我们就来看看今天的主角，Happens-Before是什么？

Happens-Before要表达的是：前面一个操作的结果对后续操作是可见的，它约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化导致的指令重排，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。

都说Happens-Before对于JAVA内存模型来讲是一个比较晦涩难懂的部分，但我们一点一点来剖析，其实没那么难理解。

程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。

这条规则还是比较容易理解的，就是保证了单线程中程序的顺序性。

volatile变量规则

这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。

这么看的话，是不是发现其实它就是禁用CPU缓存的意思，多线程下保证变量的可见性。

传递性

这条规则是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。

这个传递性也很好理解，那么假如把传递性和volatile变量规则放在一起会发生什么呢？

就比如我们上文中的代码，x=42 Happens-Before v=true，写变量v=true Happens-Before 读变量v，那么根据传递性规则，x=42 Happens-Before 读变量v。

所以我们之前分析，如果线程B读变量v=true，那么x=42对于线程B也是可见的。

并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的，同时传递性也是对volatile关键字的增强，保证了可见性的同时也保证了有序性。

管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

这条规则其实也很容易理解，不加锁何来解锁一说。

线程start()规则

这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。

这条规则也没什么好解释的，就是字面意思。

线程join()规则

这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”，指的是对共享变量的操作。

总结

Java 的内存模型是并发编程领域的一次重要创新，它主要分为两部分，一部分面向编写并发程序的应用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的。

我们在并发专栏中理解前者就可以了。

晦涩难懂的Happens-Before原则，看完本文你觉得它还有那么难吗？

往期文章推荐：

JVM专栏

消息中间件专栏

并发编程专栏