Java內(nèi)存模型之happens-before概念詳解
簡(jiǎn)介
happens-before是JMM的核心概念。理解happens-before是了解JMM的關(guān)鍵。
1、設(shè)計(jì)意圖
JMM的設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)方面,分別是程序員角度和編譯器、處理器角度:
- 程序員角度,希望內(nèi)存模型易于理解、易于編程。希望是一個(gè)強(qiáng)內(nèi)存模型。
- 編譯器和處理器角度,希望減少對(duì)它們的束縛,以至于編譯器和處理器可以做更多的性能優(yōu)化。希望是一個(gè)弱內(nèi)存模型。
因此JSR-133專家組設(shè)計(jì)JMM的核心目標(biāo)就兩個(gè):
為程序員提供足夠強(qiáng)的內(nèi)存模型對(duì)編譯器和處理器的限制盡可能少
下面通過一段代碼來看JSR-133如何實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo):
double pi = 3.14; //A double r = 1.0; //B double area = pi * r * r //C
上述代碼存在如下happens-before關(guān)系:
- A happens-before B
- B happens-before C
- A happens-before C
這3個(gè)happens-before關(guān)系中,第二個(gè)和第三個(gè)是必須的,而第一個(gè)是非必須的(A、B操作之間重排序,程序執(zhí)行結(jié)果不會(huì)發(fā)生改變)。
JMM把happens-before要求禁止的重排序分為下面的兩類:
- 會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序
- 不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序
JMM對(duì)這兩種不同性質(zhì)的重排序,采取了不同的策略:
- 對(duì)于會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序,JMM要求編譯器和處理器必須禁止
- 對(duì)于不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序,JMM不做要求(JMM運(yùn)行)
JMM設(shè)計(jì)示意圖:
總結(jié):
- JMM給程序員提供的happens-before規(guī)則能滿足程序員的需求。簡(jiǎn)單易懂,具有足夠強(qiáng)的內(nèi)存可見性保證。
- JMM對(duì)編譯器和處理器的束縛盡可能少。遵循的原則是:不改變程序的執(zhí)行結(jié)果(正確同步或單線程執(zhí)行),編譯器和處理器可以任意優(yōu)化。
2、happens-before的定義
起源:
happens-before規(guī)則來源于Leslie Lamport《Time, Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》。該論文中使用happens-before來定義分布式系統(tǒng)中事件之間的偏序關(guān)系(partial ordering),該文中給出了一個(gè)分布式算法,能用來將偏序關(guān)系擴(kuò)展為某種全序關(guān)系。
Java中的應(yīng)用:
JSR-133使用happens-before來指定兩個(gè)操作之間的執(zhí)行順序。JMM可以通過happens-before關(guān)系向程序員提供跨線程的內(nèi)存可見性保證。
《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》對(duì)happens-before關(guān)系的定義如下:
如果操作A happens-before 操作B,那么A操作的執(zhí)行結(jié)果將會(huì)對(duì)操作B可見,且操作A的執(zhí)行順序排在操作B之前——JMM對(duì)程序員的承諾兩個(gè)操作存在happens-before關(guān)系,并不意味著Java平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)必須按照happens-before的順序來執(zhí)行。如果重排序不改變程序執(zhí)行結(jié)果(與happens-before)規(guī)則一致,那么這種重排序是不非法的(JMM允許這種重排序)?!狫MM對(duì)編譯器和處理器的束縛原則
happens-before和as-if-serial語義:
從上述來看,happens-before和as-if-serial語義本質(zhì)上是一回事
- as-if-serial語義保證單線程內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變,happens-before關(guān)系保證正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不改變
- as-if-serial語義給編程者一種單線程是按程序順序執(zhí)行的幻境;happens-before關(guān)系給編程者一種正確同步的多線程是按照happens-before指定的順序執(zhí)行的幻境。
兩者的目的都是為了在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下,盡可能的提高程序的執(zhí)行效率。
3、happens-before規(guī)則
《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》定義了如下happens-before規(guī)則
- 程序順序規(guī)則
- 監(jiān)視器鎖規(guī)則
- volatile變量規(guī)則
- 傳遞性
- start()規(guī)則
- join()規(guī)則
3.1 volatile寫-讀
volatile寫-讀建立的happens-before關(guān)系
分析上圖:
- 1 happens-before 2和3 happens-before 4由程序順序規(guī)則產(chǎn)生。由于編譯器和處理器遵循as-if-serial語義,也就是說,as-if-serial語義保證了程序順序規(guī)則。因此可以把程序順序規(guī)則看成是對(duì)as-if-serial語義的“封裝”。
- 2 happens-before 3 是有volatile規(guī)則產(chǎn)生。一個(gè)volatile變量的讀,總是能看到(任意線程)對(duì)這個(gè)volatile變量的最后寫入。
- 1 happens-before 4 是由傳遞性規(guī)則產(chǎn)生的。這里的傳遞性是由volatile的內(nèi)存屏障插入策略和volatile的編譯器重排序規(guī)則來共同保證的。
3.2 start()規(guī)則
假設(shè)線程A在執(zhí)行的過程中,通過執(zhí)行ThreadB.start()來啟動(dòng)線程B;同時(shí),假設(shè)線程A在執(zhí)行ThreadB.start()之前修改了一個(gè)共享變量,線程B在執(zhí)行后會(huì)讀取這些共享變量。
start()程序?qū)?yīng)的happens-before關(guān)系圖:
分析上圖:
- 1 happens-before
- 2 由程序順序規(guī)則產(chǎn)生2 happens-before 4 由start規(guī)則產(chǎn)生
- 1 happens-before 4 由傳遞性規(guī)則產(chǎn)生
因此線程A執(zhí)行ThreadB.start()之前對(duì)共享變量所做的修改,在線程B執(zhí)行后都將確保對(duì)線程B可見。
3.3 join()規(guī)則
假設(shè)線程A執(zhí)行的過程中,通過執(zhí)行ThreadB.join()來等待線程B終止;則線程B在終止之前修改了一些共享變量,線程A從ThreadB.join()返回后會(huì)讀這些共享變量。
join()程序的happens-before關(guān)系圖:
分析上圖:
- 2 happens-before
- 4 由join()規(guī)則產(chǎn)生4 happens-before 5 由程序順序規(guī)則產(chǎn)生
- 2 happens-before 5 由傳遞性規(guī)則產(chǎn)生
因此線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回,線程B中任意操作都將對(duì)線程A可見。
文章總結(jié)至《Java并發(fā)編程藝術(shù)》,下篇總結(jié)“雙重檢查所定與延遲初始化”,敬請(qǐng)關(guān)注。
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