happens-before规则

使用volatile的困惑

volatile 关键字并不是 Java 语言的特产，古老的 C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。例如，我们声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。这个语义看上去相当明确，但是在实际使用的时候却会带来困惑。例如下面的示例代码，假设线程 A 执行 writer() 方法，按照 volatile 语义，会把变量 “v=true” 写入内存；假设线程 B 执行 reader() 方法，同样按照 volatile 语义，线程 B 会从内存中读取变量 v，如果线程 B 看到 “v == true” 时，那么线程 B 看到的变量 x 是多少呢？直觉上看，应该是 42，那实际应该是多少呢？这个要看 Java 的版本，如果在低于 1.5 版本上运行，x 可能是 42，也有可能是 0；如果在 1.5 以上的版本上运行，x 就是等于 42。


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？
        } 
    } 
}

分析一下，为什么 1.5 以前的版本会出现 x = 0 的情况呢？我相信你一定想到了，变量 x 可能被 CPU 缓存而导致可见性问题。这个问题在 1.5 版本已经被圆满解决了。Java 内存模型在 1.5 版本对 volatile 语义进行了增强。怎么增强的呢？答案是一项 HappensBefore 规则。

Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面，它真正要表达的是：前面一个操作的结果对后续操作是可见的

Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 HappensBefore 规则

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

例:


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？
        } 
    } 
}

x = 42;Happens-Before 于 v = true;，这就是规则 1 的内容，也比较符合单线程里面的思维：程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。

volatile 变量规则

对一个volatile变量的写，happens-before于任意后续线程对一个volatile变量的读

这个就有点费解了，对一个 volatile 变量的写操作相对于后续对这个 volatile 变量的读操作可见，这怎么看都是禁用缓存的意思啊，貌似和 1.5 版本以前的语义没有变化啊？如果单看这个规则，的确是这样，但是如果我们关联一下规则 3，就有点不一样的感觉了。

传递性

这条规则是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A HappensBefore C。我们将规则 3 的传递性应用到我们的例子中，会发生什么呢？可以看下面这幅图：

从图中，我们可以看到：

x=42 Happens-Before 写变量 v=true ，这是规则 1 的内容；

写变量v=true Happens-Before 读变量 v==true，这是规则 2 的内容。

再根据这个传递性规则，我们得到结果：x=42 Happens-Before 读变量v==true。这意味着什么呢？如果线程 B 读到了“v=true”，那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说，线程 B 能看到 “x == 42” ，有没有一种恍然大悟的感觉？这就是 1.5 版本对 volatile 语义的增强，这个增强意义重大，1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的

监视器(管程)锁规则

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。要理解这个规则，就首先要了解“管程指的是什么”。管程是一种通用的同步原语，在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。

管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的


synchronized (this) { 
    // 此处自动加锁 
    // x 是共享变量, 初始值 =10 
    if (this.x < 12) { 
        this.x = 12;
	} 
} // 此处自动解锁

所以结合规则 4——管程中锁的规则，可以这样理解：假设 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完自动释放锁），线程 B 进入代码块时，能够看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 能够看到 x=12。

线程启动规则

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。换句话说就是，如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法（即在线程 A 中启动线程 B），那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。具体可参考下面示例代码


Thread B = new Thread(()->{ 
    // 主线程调用 B.start() 之前 // 所有对共享变量的修改，此处皆可见 
    // 此例中，var==77
}); 
// 此处对共享变量 var 修改 
var = 77; // 主线程启动子线程 
B.start();

线程终止规则

线程中的任意操作，happens-before于该线程的终止监测。我们可以通过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。

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。换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。具体可参考下面示例代码。


Thread B = new Thread(()->{ 
    // 此处对共享变量 var 修改 
    var = 66;
}); 
// 例如此处对共享变量修改， 
// 则这个修改结果对线程 B 可见 
//主线程启动子线程 
B.start(); 
B.join() 
// 子线程所有对共享变量的修改 
// 在主线程调用 B.join() 之后皆可见 // 此例中，var==66

对象终结规则

一个对象的初始化完成，happens-before于这个对象的finalize()方法的开始。

线程中断原则

对线程interrupt()方法的调用，happens-before于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

例子线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过 t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）


public class Test1 {
    static int x;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    System.out.println(x);
                    break;
                }
            }
        }, "t2");
        t2.start();
        new Thread(() -> {
            sleep(1);
            x = 10;
            t2.interrupt();
        }, "t1").start();
        while (!t2.isInterrupted()) {
            Thread.yield();
        }
        //10
        System.out.println(x);
    }
}