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可见性有序性，Happens-before来搞定

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作者 | tan日拱一兵

来源 | 公众号「日拱一兵」

上一篇文章并发 Bug 之源有三，请睁大眼睛看清它们谈到了 可见性/原子性/有序性 三个问题，这些问题通常违背我们的直觉和思考模式，也就导致了很多并发 Bug

为了解决 CPU，内存，IO 的短板，增加了缓存，但这导致了可见性问题
编译器/处理器 擅自 优化 ( Java代码在编译后会变成 Java 字节码, 字节码被类加载器加载到 JVM 里, JVM 执行字节码, 最终需要转化为汇编指令在 CPU 上执行) ，导致有序性问题

初衷是好的，但引发了新问题，最有效的办法就禁止缓存和编译优化，问题虽然能解决，但「又回到最初的起点，呆呆地站在镜子前」是很尴尬的，我们程序的性能就堪忧了.

解决方案

作为我们程序猿不想写出 bug 影响 KPI，所以希望内存模型易于理解、易于编程。这就需要基于一个 强内存模型 来编写代码
作为编译器和处理器不想让外人说它处理速度很慢，所以希望内存模型对他们束缚越少越好，可以由他们 擅自优化 ，这就需要基于一个 弱内存模型

俗话说:「没有什么事是开会解决不了的，如果有，那就再开一次」:joy:

JSR-133 的专家们就有了新想法，既然不能完全禁止缓存和编译优化，那就按需禁用缓存和编译优化，按需就是要加一些约束，约束中就包括了上一篇文章简单提到过的 volatile，synchronized，final 三个关键字，同时还有你可能听过的 Happens-Before 原则(包含可见性和有序性的约束)，Happens-before 规则也是本章的主要内容

为了满足二者的强烈需求，照顾到双方的情绪，于是乎: JMM 就对程序猿说了一个善意的谎言: 「会严格遵守 Happpen-Befores 规则，不会重排序」让程序猿放心，私下却有自己的策略:

对于会改变程序执行结果的重排序,JMM要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。
对于不会改变程序执行结果的重排序, JMM对编译器和处理器不做要求 (JMM允许这种重排序)。

我们来用个图说明一下:

可见性有序性，Happens-before来搞定

这就是那个善意的谎言，虽是谎言，但还是照顾到了程序猿的利益，所以我们只需要了解 happens-before 规则就能得到保证 (图画了好久，不知道是否说明了谎言的所在:sweat_smile:，欢迎留言)

Happens-before

Happens-before 规则主要用来约束两个操作，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 , (the first is visible to and ordered before the second)

说了这么多，先来看一小段代码带你逐步走进 Happen-Befores 原则，看看是怎样用该原则解决 可见性 和 有序性 的问题:

class ReorderExample {
  int x = 0;
  boolean flag = false;
  public void writer() {
    x = 42;    //1
    flag = true;    //2
  }
  public void reader() {
    if (flag) { //3
      System.out.println(x);    //4
    }
  }
}

假设 A 线程执行 writer 方法，B 线程执行 reader 方法，打印出来的 x 可能会是 0，上一篇文章说明过: 因为代码 1 和 2 没有 数据依赖 关系，所以可能被重排序

flag = true;    //2
x = 42;    //1

所以，线程 A 将 flag = true 写入 但没有为 x 重新赋值时 ，线程 B 可能就已经打印了 x 是 0

那么为 flag 加上 volatile 关键字试一下:

volatile boolean flag = false;

即便加上了 volatile 关键字，这个问题在 java1.5 之前还是没有解决，但 java1.5 和其之后的版本对 volatile 语义做了增强 ，问题得以解决，这就离不开 Happens-before 规则的约束了，总共有 6 个规则，且看

程序顺序性规则

一个线程中的每个操作, happens-before 于该线程中的任意后续操作

第一感觉这个原则是一个在理想状态下的"废话"，并且和上面提到的会出现重排序的情况是矛盾的，注意这里是一个线程中的操作，其实隐含了「as-if-serial」语义: 说白了就是只要执行结果不被改变，无论怎么"排序"，都是对的

这个规则是一个基础规则，happens-before 是多线程的规则，所以要和其他规则约束在一起才能体现出它的顺序性，别着急，继续向下看

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

我将上面的程序添加两行代码作说明:

public class ReorderExample {

    private int x = 0;
    private int y = 1;
    private volatile boolean flag = false;

    public void writer(){
        x = 42;    //1
        y = 50;    //2
        flag = true;    //3
    }

    public void reader(){
        if (flag){    //4
            System.out.println("x:" + x);    //5
            System.out.println("y:" + y);    //6
        }
    }
}

这里涉及到了 volatile 的内存增强语义，先来看个表格:

能否重排序	第二个操作	第二个操作	第二个操作
第一个操作	普通读/写	volatile 读	volatile 写
普通读/写	-	-	NO
volatile 读	NO	NO	NO
volatile 写	-	NO	NO

从这个表格 最后一列 可以看出:

如果第二个操作为 volatile 写，不管第一个操作是什么，都不能重排序，这就确保了 volatile 写之前的操作不会被重排序到 volatile 写之后

拿上面的代码来说，代码 1 和 2 不会被重排序到代码 3 的后面，但代码 1 和 2 可能被重排序 (没有依赖也不会影响到执行结果)，说到这里和 程序顺序性规则 是不是就已经关联起来了呢？

从这个表格的 倒数第二行 可以看出:

如果第一个操作为 volatile 读，不管第二个操作是什么，都不能重排序，这确保了 volatile 读之后的操作不会被重排序到 volatile 读之前

拿上面的代码来说，代码 4 是读取 volatile 变量，代码 5 和 6 不会被重排序到代码 4 之前

volatile 内存语义的实现是应用到了「内存屏障」，因为这完全够单独写一章的内容，这里为了不掩盖主角 Happens-before 的光环，保持理解 Happens-before 的连续性，先不做过多说明

到这里，看这个规则，貌似也没解决啥问题，因为它还要联合第三个规则才起作用

传递性规则

如果 A happens-before B, 且 B happens-before C, 那么 A happens-before C

直接上图说明一下上面的例子

可见性有序性，Happens-before来搞定

从上图可以看出

x =42 和 y = 50 Happens-before flag = true , 这是 规则 1
写变量(代码 3) flag=true Happens-before 读变量(代码 4) if(flag) ，这是 规则 2

根据 规则 3 传递性规则， x =42 Happens-before 读变量 if(flag)

谜案要揭晓了: 如果线程 B 读到了 flag 是 true，那么 x =42 和 y = 50 对线程 B 就一定可见了，这就是 Java1.5 的增强 (之前版本是可以普通变量写和 volatile 变量写的重排序的)

通常上面三个规则是一种联合约束，到这里你懂了吗？规则还没完，继续看

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

这个规则我觉得你应该最熟悉了，就是解释 synchronized 关键字的，来看

public class SynchronizedExample {
    private int x = 0;

    public void synBlock(){
        // 1.加锁
        synchronized (SynchronizedExample.class){
            x = 1; // 对x赋值
        }
        // 3.解锁
    }

    // 1.加锁
    public synchronized void synMethod(){
        x = 2; // 对x赋值
    }
    // 3. 解锁
}

先获取锁的线程，对 x 赋值之后释放锁，另外一个再获取锁，一定能看到对 x 赋值的改动，就是这么简单，请小伙伴用下面命令查看上面程序，看同步块和同步方法被转换成汇编指令有何不同？

javap -c -v SynchronizedExample

这和 synchronized 的语义相关，小伙伴可以先自行了解一下，锁的内容时会做详细说明

start()规则

如果线程 A 执行操作 ThreadB.start() (启动线程B), 那么 A 线程的 ThreadB.start() 操作 happens-before 于线程 B 中的任意操作，也就是说，主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能看到主线程在启动子线程 B 前的操作，看个程序就秒懂了

public class StartExample {
    private int x = 0;
    private int y = 1;
    private boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StartExample startExample = new StartExample();

        Thread thread1 = new Thread(startExample::writer, "线程1");
        startExample.x = 10;
        startExample.y = 20;
        startExample.flag = true;

        thread1.start();

        System.out.println("主线程结束");
    }

    public void writer(){
        System.out.println("x:" + x );
        System.out.println("y:" + y );
        System.out.println("flag:" + flag );
    }
}

运行结果:

主线程结束
x:10
y:20
flag:true

Process finished with exit code 0

线程 1 看到了主线程调用 thread1.start() 之前的所有赋值结果，这里没有打印「主线程结束」，你知道为什么吗？这个守护线程知识有关系

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() 操作成功返回， 和 start 规则刚好相反 ，主线程 A 等待子线程 B 完成，当子线程 B 完成后，主线程能够看到子线程 B 的赋值操作，将程序做个小改动，你也会秒懂的

public class JoinExample {
    private int x = 0;
    private int y = 1;
    private boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        JoinExample joinExample = new JoinExample();

        Thread thread1 = new Thread(joinExample::writer, "线程1");
        thread1.start();

        thread1.join();

        System.out.println("x:" + joinExample.x );
        System.out.println("y:" + joinExample.y );
        System.out.println("flag:" + joinExample.flag );
        System.out.println("主线程结束");
    }

    public void writer(){
        this.x = 100;
        this.y = 200;
        this.flag = true;
    }
}

运行结果:

x:100
y:200
flag:true
主线程结束

Process finished with exit code 0

「主线程结束」这几个字打印出来喽，依旧和线程何时退出有关系

Happens-before 重点是解决前一个操作结果对后一个操作可见，相信到这里，你已经对 Happens-before 规则有所了解，这些规则解决了多线程编程的可见性与有序性问题，但还没有完全解决原子性问题(除了 synchronized)
start 和 join 规则也是解决主线程与子线程通信的方式之一
从内存语义的角度来说, volatile 的 写-读 与锁的 释放-获取 有相同的内存效果；volatile 写和锁的释放有相同的内存语义; volatile 读与锁的获取有相同的内存语义，:warning::warning::warning:(敲黑板了) volatile 解决的是可见性问题，synchronized 解决的是原子性问题，这绝对不是一回事，后续文章也会说明