Java內存模型中的Happens-Before規則

規則

Happens-Before 約束了編譯器的優化行爲，雖然允許編譯器優化，但是要求編譯器優化後一定遵守 Happens-Before 規則

在 Java 語言裏面，Happens-Before 的語義本質上是一種可見性，A Happens-Before B意味着 A 事件對 B 事件來說是可見的，無論 A 事件和 B 事件是否發生在同一個線程裏。例如 A 事件發生在線程 1 上，B 事件發生在線程 2 上，Happens-Before 規則保證線程 2上也能看到 A 事件的發生。(參考:Java併發編程實戰)

• 程序順序規則：一個線程中，按照程序中代碼順序，前面的操作Happens-Before於後面的操作
• volatile變量規則：對一個volatile變量的寫操作Happens-Before於後續對該變量的讀操作
• 傳遞性規則：如果A Happens-Before B，且B Happens-Before C，則A Happens-Before C
• 鎖的規則：一個鎖的解鎖操作Happens-Before於該鎖後續的加鎖操作
• 線程啓動規則：如果線程A啓動了線程B，則線程B啓動前的操作Happens-Before線程B後續的操作
• 線程結束規則：如果線程A中調用線程B的join()方法併成功返回，則線程B中的任意操作Happens-Before於該join()操作的返回
• 中斷規則：對線程interrupt()方法的調用Happens-Before於被中斷線程檢測到中斷方法被調用
• 終結器規則：一個對象的構造函數執行結束Happens-Before於它的finalize()方法的開始

案例

代碼（來源:JSR 133 (Java Memory Model) FAQ）

class VolatileExample {
    int x = 0;
    volatile boolean v = false;
    public void writer() {
        x = 42;
        v = true;
    }
    public void reader() {
        if (v == true) {
            //uses x - guaranteed to see 42.
        }
    }
}

根據程序順序規則可知：x = 42 Happens-Before v = true
根據volatile變量規則可知：寫volatile變量 v = true Happens-Before 讀volatile變量 v
根據傳遞性規則可知：x = 42 Happens-Before 讀volatile變量 v

代碼

// x是共享變量, 初始值爲10
int x = 10;
// synchronized中的鎖是隱式實現的，會在進入代碼塊之前自動加鎖，執行完代碼塊之後自動釋放鎖
synchronized (this) {
    if (this.x < 12) {
        this.x = 12;
    }
}

根據鎖的規則可知：線程A執行完代碼塊之後的解鎖操作Happens-Before線程B進入代碼塊之前的加鎖操作，因此線程B進入代碼塊時可知x=12

代碼

// x是共享變量, 初始值爲10
int x = 10;

Thread threadB = new Thread(() -> {
    System.out.println("線程B可以看到x的值爲:" + x);
    // 線程B將共享變量x的值改爲21
    x = 21;
});
x = 12;
// 線程A中啓動線程B
threadB.start();
threadB.join();
System.out.println("線程A可以看到x的值爲:" + x);

根據線程啓動規則可知：x = 12 Happens-Before threadB.start()，因此線程B啓動後可以看到x被修改爲12
根據線程結束規則可知：x = 21 Happens-Before threadB.join() ，因此主線程可以看到線程B結束前的任意操作，即將x修改爲21

總結

Java併發編程中有三個核心問題：可見性、有序性和原子性，其中可見性和有序性便是由 Happens-Before 規則保證的

補充

Java併發編程中的三個核心問題是怎麼產生的？

參考

JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
Java併發編程實戰