Java 內存模型中的happen-before關系詳解

更新時間：2022年10月31日 11:05:42 作者：????????????

這篇文章主要為大家介紹了Java 內存模型中的happen-before關系示例詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

前言

Java 語言在設計之初就引入了線程的概念，以充分利用現(xiàn)代處理器的計算能力，這既帶來了強大、靈活的多線程機制，也帶來了線程安全等令人混淆的問題，而 Java 內存模型（Java Memory Model，JMM）為我們提供了一個在紛亂之中達成一致的指導準則。

本篇博文的重點是，Java 內存模型中的 happen-before 是什么？

概述

Happen-before 關系，是 Java 內存模型中保證多線程操作可見性的機制，也是對早期語言規(guī)范中含糊的可見性概念的一個精確定義。

它的具體表現(xiàn)形式，包括但遠不止是我們直覺中的 synchronized、volatile、lock 操作順序等方面，例如：

線程內執(zhí)行的每個操作，都保證 happen-before 后面的操作，這就保證了基本的程序順序規(guī)則，這是開發(fā)者在書寫程序時的基本約定。
對于 volatile 變量，對它的寫操作，保證 happen-before 在隨后對該變量的讀取操作。
對于一個鎖的解鎖操作，保證 happen-before 加鎖操作。
對象構建完成，保證 happen-before 于 finalizer 的開始動作。
甚至是類似線程內部操作的完成，保證 happen-before 其他 Thread.join() 的線程等。

這些 happen-before 關系是存在著傳遞性的，如果滿足 a happen-before b 和 b happen-before c，那么 a happen-before c 也成立。

前面我一直用 happen-before，而不是簡單說前后，是因為它不僅僅是對執(zhí)行時間的保證，也包括對內存讀、寫操作順序的保證。僅僅是時鐘順序上的先后，并不能保證線程交互的可見性。

為什么需要 JMM，它試圖解決什么問題？

Java 是最早嘗試提供內存模型的語言，這是簡化多線程編程、保證程序可移植性的一個飛躍。早期類似 C、C++ 等語言，并不存在內存模型的概念（C++ 11 中也引入了標準內存模型），其行為依賴于處理器本身的內存一致性模型，但不同的處理器可能差異很大，所以一段 C++ 程序在處理器 A 上運行正常，并不能保證其在處理器 B 上也是一致的。

即使如此，最初的 Java 語言規(guī)范仍然是存在著缺陷的，當時的目標是，希望 Java 程序可以充分利用現(xiàn)代硬件的計算能力，同時保持“書寫一次，到處執(zhí)行”的能力。

但是，顯然問題的復雜度被低估了，隨著 Java 被運行在越來越多的平臺上，人們發(fā)現(xiàn)，過于泛泛的內存模型定義，存在很多模棱兩可之處，對 synchronized 或 volatile 等，類似指令重排序時的行為，并沒有提供清晰規(guī)范。這里說的指令重排序，既可以是編譯器優(yōu)化行為，也可能是源自于現(xiàn)代處理器的亂序執(zhí)行等。

換句話說：

既不能保證一些多線程程序的正確性，例如最著名的就是雙檢鎖（Double-Checked Locking，DCL）的失效問題，雙檢鎖可能導致未完整初始化的對象被訪問，理論上這叫并發(fā)編程中的安全發(fā)布（Safe Publication）失敗。
也不能保證同一段程序在不同的處理器架構上表現(xiàn)一致，例如有的處理器支持緩存一致性，有的不支持，各自都有自己的內存排序模型。

所以，Java 迫切需要一個完善的 JMM，能夠讓普通 Java 開發(fā)者和編譯器、JVM 工程師，能夠清晰地達成共識。換句話說，可以相對簡單并準確地判斷出，多線程程序什么樣的執(zhí)行序列是符合規(guī)范的。

所以：

對于編譯器、JVM 開發(fā)者，關注點可能是如何使用類似內存屏障（Memory-Barrier）之類技術，保證執(zhí)行結果符合 JMM 的推斷。
對于 Java 應用開發(fā)者，則可能更加關注 volatile、synchronized 等語義，如何利用類似 happen-before 的規(guī)則，寫出可靠的多線程應用，而不是利用一些“秘籍”去糊弄編譯器、JVM。

我畫了一個簡單的角色層次圖，不同工程師分工合作，其實所處的層面是有區(qū)別的。JMM 為 Java 工程師隔離了不同處理器內存排序的區(qū)別，這也是為什么我通常不建議過早深入處理器體系結構，某種意義上來說，這樣本就違背了 JMM 的初衷。

JMM 是怎么解決可見性等問題的呢？

在這里有必要簡要介紹一下典型的問題場景。

在【JAVA】JVM 內存區(qū)域的劃分里介紹了 JVM 內部的運行時數(shù)據(jù)區(qū)，但是真正程序執(zhí)行，實際是要跑在具體的處理器內核上。你可以簡單理解為，把本地變量等數(shù)據(jù)從內存加載到緩存、寄存器，然后運算結束寫回主內存。你可以從下面示意圖，看這兩種模型的對應。

看上去很美好，但是當多線程共享變量時，情況就復雜了。試想，如果處理器對某個共享變量進行了修改，可能只是體現(xiàn)在該內核的緩存里，這是個本地狀態(tài)，而運行在其他內核上的線程，可能還是加載的舊狀態(tài)，這很可能導致一致性的問題。從理論上來說，多線程共享引入了復雜的數(shù)據(jù)依賴性，不管編譯器、處理器怎么做重排序，都必須尊重數(shù)據(jù)依賴性的要求，否則就打破了正確性！這就是 JMM 所要解決的問題。

JMM 內部的實現(xiàn)通常是依賴于所謂的內存屏障，通過禁止某些重排序的方式，提供內存可見性保證，也就是實現(xiàn)了各種 happen-before 規(guī)則。與此同時，更多復雜度在于，需要盡量確保各種編譯器、各種體系結構的處理器，都能夠提供一致的行為。

我以 volatile 為例，看看如何利用內存屏障實現(xiàn) JMM 定義的可見性？

對于一個 volatile 變量：

對該變量的寫操作之后，編譯器會插入一個寫屏障。
對該變量的讀操作之前，編譯器會插入一個讀屏障。

內存屏障能夠在類似變量讀、寫操作之后，保證其他線程對 volatile 變量的修改對當前線程可見，或者本地修改對其他線程提供可見性。換句話說，線程寫入，寫屏障會通過類似強迫刷出處理器緩存的方式，讓其他線程能夠拿到最新數(shù)值。

如果你對更多內存屏障的細節(jié)感興趣，或者想了解不同體系結構的處理器模型，建議參考 JSR-133 相關文檔，我個人認為這些都是和特定硬件相關的，內存屏障之類只是實現(xiàn) JMM 規(guī)范的技術手段，并不是規(guī)范的要求。

從應用開發(fā)者的角度，JMM 提供的可見性，體現(xiàn)在類似 volatile 上，具體行為是什么樣呢？

我這里循序漸進的舉兩個例子。

首先，請看下面的代碼片段，希望達到的效果是，當 condition 被賦值為 false 時，線程 A 能夠從循環(huán)中退出。

// Thread A
while (condition) {
}
// Thread B
condition = false;

這里就需要 condition 被定義為 volatile 變量，不然其數(shù)值變化，往往并不能被線程 A 感知，進而無法退出。當然，也可以在 while 中，添加能夠直接或間接起到類似效果的代碼。

第二，我想舉 Brian Goetz 提供的一個經典用例，使用 volatile 作為守衛(wèi)對象，實現(xiàn)某種程度上輕量級的同步，請看代碼片段：

Map configOptions;
char[] configText;
volatile boolean initialized = false;
// Thread A
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
// Thread B
while (!initialized)
  sleep();
// use configOptions

JSR-133 重新定義的 JMM 模型，能夠保證線程 B 獲取的 configOptions 是更新后的數(shù)值。

也就是說 volatile 變量的可見性發(fā)生了增強，能夠起到守護其上下文的作用。線程 A 對 volatile 變量的賦值，會強制將該變量自己和當時其他變量的狀態(tài)都刷出緩存，為線程 B 提供可見性。當然，這也是以一定的性能開銷作為代價的，但畢竟帶來了更加簡單的多線程行為。

我們經常會說 volatile 比 synchronized 之類更加輕量，但輕量也僅僅是相對的，volatile 的讀、寫仍然要比普通的讀寫要開銷更大，所以如果你是在性能高度敏感的場景，除非你確定需要它的語義，不然慎用。