先行發生原則(happens-before)
我們知道，在Java內存模型中，如果要確保有序性可以靠volatile和synchronized來實現，但是如果所有的有序性都僅僅依靠這兩個關鍵字來完成，那麼有一些操作將會變得很繁瑣，但是我們在編寫Java代碼的時候並沒有感覺到這一點，這是因爲Java語言中有一個“先行發生(happens-before)”的原則。那麼happens-before到底是什麼呢？
什麼是happens-before
happens-before的概念最初由Leslie Lamport在其一篇影響深遠的論文（《Time，Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》）中提出。Leslie Lamport使用happens-before來定義分佈式系統中事件之間的偏序關係（partial ordering）。Leslie Lamport在這篇論文中給出了一個 分佈式算法，該算法可以將該偏序關係擴展爲某種全序關係。 JSR-133使用happens-before的概念來指定兩個操作之間的執行順序。由於這兩個操作可以在一個線程之內，也可以是在不同線程之間。因此，JMM可以通過happens-before關係向程序員提供跨線程的內存可見性保證。
《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》對happens-before關係的定義如下：
1）如果一個操作happens-before另一個操作，那麼第一個操作的執行結果將對第二個操作可見，而且第一個操作的執行順序排在第二個操作之前。注意：這一點僅僅是JMM對程序員的保證
2）兩個操作之間存在happens-before關係，並不意味着Java平臺的具體實現必須要按照happens-before關係指定的順序來執行。如果重排序之後的執行結果，與按happens-before關係來執行的結果一致，那麼這種重排序並不非法（也就是說，JMM允許這種重排序）。
happens-before規則示例
Java內存模型中存在一些“天然的”happens-before關係，這些先行關係無需任何同步器的協助就已經存在，可以在編碼中直接使用（下面8條規則的定義參考了《深入理解Java虛擬機》一書，結合自己的理解部分規則給出了示例）：
- 程序次序規則（Program Order Rule）：在一個線程內，書寫在前面的操作先行發生於後面的操作。準確的說，應該是控制流順序而不是程序代碼順序，因爲要考慮分支和循環等結構。如下代碼示例：1 happens-before 2,3 happens-before 4
package com.zwx.happans.before;
public class VolatileRule {
private volatile boolean flag = false;
private int a = 0;
public void writer(){
a = 1;//1
flag = true;//2
}
public void read(){
if(flag){//3
int i = a;//4
}
}
}
- volatile 變量規則（Volatile Lock Rule）：對於 volatile 修飾的變量的寫的操作，一定 happen-before 後續對於volatile變量的讀操作。如上順序規則示例中，因爲變量flag加了volatile修飾，所以2 happens-before 3
- 傳遞性規則（Transitivity Rule）：如上順序規則示例中，根據順序規則：1 happens-before 2；根據volatile變量規則：2 happens-before 3；故而根據傳遞性規則可以推導出：1 happens-before 3。
- 線程啓動規則（Thread Start Rule）：Thread對象的start()方法，先行發生行於此線程的每一個動作。如下示例中，因爲1 happens-before 2，而2又happens-before線程1內的所有操作，所有x的值對線程t1是可見的
package com.zwx.happans.before;
public class StartRule {
static int x = 0;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(()->{
//主線程修改x的值對t1可見
System.out.println(x);//x=10
});
x = 10;//1
t1.start();//2
}
}
- 線程終止原則（Thread Termination Rule）：線程中所有操作happens-before於對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()等手段檢測到線程已經終止。如下示例中,因爲1 happens-before 2，而2又happens-before 3,所有t1中修改了x的值，對主線程可見
package com.zwx.happans.before;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class JoinRule {
static int x = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
x=100;//1
});
x = 10;
t1.start();
t1.join();//2
System.out.println(x);//3(x爲100，join之後t1修改了x後，x對主線程可見)
}
}
- 監視器鎖定規則（Monitor Lock Rule）：一個unlock操作先行發生於後面對同一個鎖的lock操作。這裏必須強調的是必須爲同一個鎖，而“後面”是指的時間上的先後順序。如下示例，假如線程A先進去執行過一次x++，然後釋放鎖，然後線程B再進入同步代碼塊，那麼B獲得的x爲11：
package com.zwx.happans.before;
public class LockRule {
int x = 0;
public void demo(){
synchronized (this){//兩個線程同時訪問，相互修改的值均對對方可見
x++;
}
}
}
- 線程中斷規則（Thread Interruption Rule）：對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生，我們可以通過Thread.interrupted()方法檢測到是否有中斷髮生
- 對象終結規則（Finalizer Rule）：一個對象的初始化完成(構造函數執行結束)先行發生於它的finalize()方法
如果兩個操作之間的關係不在此列，並且無法從上面的關係中推導出來的話，它們就沒有順序性保障，虛擬機可以對他們隨意的進行重排序，但是不管怎麼隨意排序，正如前面所言，JMM其實是在遵循一個基本原則：只要不改變程序的執行結果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序）編譯器和處理器怎麼優化都行。JMM這麼做的原因是：程序員對於這兩個操作是否真的被重排序並不關心，程序員關心的是程序執行時的語義不能被改變（即執行結果不能被改變）。因此，happens-before關係本質上和as-if-serial語義是一回事。
as-if-serial語義
as-if-serial語義的意思是：不管怎麼重排序（編譯器和處理器爲了提高並行度），（單線程）程序的執行結果不能被改變。編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。
爲了遵守as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數據依賴關係的操作做重排序，因爲這種重排序會改變執行結果。但是，如果操作之間不存在數據依賴關係，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序。爲了具體說明，請看下面代碼示例：
package com.zwx.asifserial;
public class AsIfSerialDemo {
public static void main(String[] args) {
int a = 10;//1
int b = 10;//2
int c = a+ b;//3
}
}
上面示例中：1和3之間存在數據依賴關係，同時2和3之間也存在數據依賴關係。因此在最終執行的指令序列中，3不能被重排序到1和2的前面（3排到1和2的前面，程序的結果將會被改變）。但1和2之間沒有數據依賴關係，編譯器和處理器可以重排序1和2之間的執行順序。
總結
1、happens-before關係保證正確同步的多線程程序的執行結果不被改變。happens-before關係給編寫正確同步的多線程程序的程序員創造了一個幻境：正確同步的多線程程序是按happens-before指定的順序來執行的。
2、as-if-serial語義保證單線程內程序的執行結果不被改變。as-if-serial語義給編寫單線程程序的程序員創造了一個幻境：單線程程序是按程序的順序來執行的。
as-if-serial語義和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。