happens-before是JMM最核心的概念。對應Java程序員來說，理解happens-before是理解JMM的關鍵。
我的併發系列文章，前面三篇學習了 Java併發機制底層實現的三個關鍵要素：volatile、synchronized、原子性操作。以及Java內存模型是爲了解決在併發環境下由於 CPU緩存、編譯器和處理器的指令重排序 導致的可見性、有序性問題。 其中重點學習了 volatile 的內存語義，以及JMM是如何定義和實現的，在學習 volatile 內存語義實現原理時我們瞭解到了 JMM 解決指令重排其實是定義了一項 happens-before 規則，今天我們就來一窺究竟，儘量以通俗易懂的話語帶大家學習 happens-before 。
如果還沒有閱讀 前面幾篇關於 Java內存模型學習的文章，建議先翻到文末點擊對應鏈接閱讀，循序漸進比較好一點。
接下來，就進入主題，開始今天的表演。
JMM的設計
要學習 happens-before 這裏首先介紹下JMM的設計意圖。這個問題首先從實際出發：
- 我們程序員寫代碼時，是要求內存模型易於理解，易於編程，所以我們需要依賴一個強內存模型來編碼。 也就是說向公理一樣，定義好的規則，我們遵守規則寫代碼就完事了。
- 對於編譯器和處理器的實現來說，它們希望約束儘量少一些，畢竟你限制它們肯定影響它們的執行效率，不能讓他們盡己所能的優化來提供性能。所以他們需要一個弱內存模型。
好了，上面談到的這兩點明顯就是衝突的，作爲程序員我們希望JMM提供給我們一個強內存模型，而底層的編譯器和處理器又需要一個弱內存模型來提高自己的性能。
在計算機領域，這種需要權衡的場景非常多，比如內存和CPU寄存器，就引入了CPU多級緩存來解決性能問題，不過也引入了多核cpu併發場景下的各種問題。 所以這裏也一樣，我們需要找到一個平衡點，來滿足程序員的需求，同時也儘可能滿足編譯器和處理器限制放鬆，性能最大化。
因此JMM在設計時，定義瞭如下策略：
- 對於會改變程序執行結果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。
- 對於不會改變程序執行結果的重排序，JMM對編譯器和處理器不做要求（JMM允許這種重排序）。
下面結合這副JMM設計圖來理解下：
從上圖中可以看到，JMM向我們程序員提供了足夠強的內存可見性保證，在不影響程序執行結果的情況下，有些可見性保證並一定存在，比如下面的程序，A happens-before B 並不保證，因爲其不影響程序執行結果；
double pi = 3.14; // A
double r = 1.0; // B
double area = pi * r * r; // C
這就引出了另一個方面，JMM爲了滿足編譯器和處理器的約束儘可能少，它遵循的規則是：只要不改變程序的執行結果，編譯器和處理器想怎麼優化就怎麼優化。例如，如果編譯器經過細緻的分析後，認定一個鎖只會被單個線程訪問，那麼這個鎖可以被消除。再如，如果編譯器經過細緻的分析後，認定一個volatile變量只會被單個線程訪問，那麼編譯器可以把這個volatile變量當作一個普通變量來對待。這些優化既不會改變程序的執行結果，又能提高程序的執行效率。
happens-before 規則
如何 理解 happens-before規則呢？ 如果僅僅望文生義理解爲先行發生，那麼南轅北轍了。happens-before 表達的並不是說前面一個操作發生在後面一個操作的前面，儘管從程序員編程角度來看也並不會出錯，但它其實表達的是，前一個操作的結果對後續操作時可見的。
你可能會問這兩種說法有什麼區別呢？
這是因爲JMM爲程序員提供的視角就是按順序執行的，且滿足一個操作 happens-before 於另一個操作，那麼第一個操作的執行結果將對第二個執行結果可見，而且第一個操作的執行順序排在第二個順序之前。注意，這是 JMM向程序員做出的保證。
但其實，JMM在對編譯器和處理器進行約束時，如前面所說，遵循的規則是：再不改變程序執行結果的前提下，編譯器和處理器怎麼優化都行。也就是說兩個操作之間存在 happens-before 規則Java平臺並不一定按照規則定義的順序來執行。 這麼做的原因是因爲，我們程序員並不關心兩個操作是否被重排序，只要保證程序執行時語義不能改變就好了。
happens-before這麼做的目的，都是爲了在不改變程序執行結果的前提下，儘可能地提高程序執行的並行度。
理解了 happens-before 的含義後，我們一起來看下具體的 happens-before 規則定義。
1.程序順序規則
一個線程中，按照程序順序，前面的操作 Happens-Before 於後續的任意操作。這個還是非常好理解的，比如上面那三行代碼，第一行的 "double pi = 3.14; " happens-before 於 “double r = 1.0;”，這就是規則1的內容，比較符合單線程裏面的邏輯思維，很好理解。
double pi = 3.14; // A
double r = 1.0; // B
double area = pi * r * r; // C
2. 監視器鎖規則
對一個鎖的解鎖，happens-before於隨後對這個鎖的加鎖。
這個規則中說的鎖其實就是Java裏的 synchronized。例如下面的代碼，在進入同步塊之前，會自動加鎖，而在代碼塊執行完會自動釋放鎖，加鎖以及釋放鎖都是編譯器幫我們實現的。
synchronized (this) { //此處自動加鎖
// x是共享變量,初始值=10
if (this.x < 12) {
this.x = 12;
}
} //此處自動解鎖
所以結合鎖規則，可以理解爲：假設 x 的初始值是 10，線程 A 執行完代碼塊後 x 的值會變成 12（執行完自動釋放鎖），線程 B 進入代碼塊時，能夠看到線程 A 對 x 的寫操作，也就是線程 B 能夠看到 x==12。這個也是符合我們直覺的，非常好理解。。
3. volatile變量規則
對一個volatile域的寫，happens-before於任意後續對這個volatile域的讀
這個就有點費解了，對一個 volatile 變量的寫操作相對於後續對這個 volatile 變量的讀操作可見，這怎麼看都是禁用緩存的意思啊，貌似和 1.5 版本以前的語義沒有變化啊（前面講的1.5版本前允許volatile變量和普通變量之間重排序）？如果單看這個規則，的確是這樣，但是如果我們關聯一下規則 4，你就能感受到變化了
4. 傳遞性
如果A happens-before B，且B happens-before C，那麼A happens-before C。
我們將規則 4 的傳遞性應用到我們下面的例子中，會發生什麼呢？
class VolatileExample {
int x = 0;
volatile boolean v = false;
public void writer() {
x = 42;
v = true;
}
public void reader() {
if (v == true) {
// 這裏x會是多少呢？
}
}
}
可以看下面這幅圖：
從圖中，我們可以看到：
- “x=42” Happens-Before 寫變量 “v=true” ，這是規則 1 的內容；
- 寫變量“v=true” Happens-Before 讀變量 “v=true”，這是規則 3 的內容 。
- 再根據這個傳遞性規則，我們得到結果：“x=42” Happens-Before 讀變量“v=true”。這意味着什麼呢？
如果線程 B 讀到了“v=true”，那麼線程 A 設置的“x=42”對線程 B 是可見的。也就是說，線程 B 能看到 “x == 42” ，有沒有一種恍然大悟的感覺？這就是 1.5 版本對 volatile 語義的增強，這個增強意義重大，1.5 版本的併發工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 語義來搞定可見性的。
5. start()規則
這條是關於線程啓動的。它是指主線程 A 啓動子線程 B 後，子線程 B 能夠看到主線程在啓動子線程 B 前的操作。
6. join()規則
如果線程A執行操作ThreadB.join()併成功返回，那麼線程B中的任意操作happens-before於線程A從ThreadB.join()操作成功返回。
通過上面6中 happens-before 規則的組合就能爲我們程序員提供一致的內存可見性。 常用的就是規則1和其他規則結合，爲我們編寫併發程序提供可靠的內存可見性模型。
總結
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。
JMM的設計分爲兩部分，一部分是面向我們程序員提供的，也就是happens-before規則，它通俗易懂的向我們程序員闡述了一個強內存模型，我們只要理解 happens-before規則，就可以編寫併發安全的程序了。 另一部分是針對JVM實現的，爲了儘可能少的對編譯器和處理器做約束，從而提高性能，JMM在不影響程序執行結果的前提下對其不做要求，即允許優化重排序。 我們只需要關注前者就好了，也就是理解happens-before規則。畢竟我們是做程序員的，術業有專攻，能寫出安全的併發程序就好了。
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