今天就讓我們來深入聊聊關(guān)于 happens-before 的那些事兒！

什么是 happens-before？

happens-before 指的是 Java 內(nèi)存模型中兩項操作的順序關(guān)系。例如說操作 A 先于操作 B，也就是說操作 A 發(fā)生在操作 B 之前，操作 A 產(chǎn)生的影響能夠被操作 B 觀察到。這里的「影響」包括：內(nèi)存中共享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等。

舉個很簡單的例子：下面代碼里 i=1 在線程 A 中執(zhí)行，而 j=i 在線程 B 中執(zhí)行。因為 i=1 操作先于 j=i 執(zhí)行，那么 i=1 操作的結(jié)果就應(yīng)該能夠被線程 B 觀察到。

// 在線程 A 中執(zhí)行
i = 1;
// 在線程 B 中執(zhí)行
j = i;

Java 內(nèi)存模型下一共有 8 條 happens-before 規(guī)則，如果線程間的操作無法從如下幾個規(guī)則推導(dǎo)出來，那么它們的操作就沒有順序性保障，虛擬機或者操作系統(tǒng)就能隨意地進(jìn)行重排序，從而可能會發(fā)生并發(fā)安全問題。

• 程序次序規(guī)則（Program Order Rule）：在一個線程內(nèi)，按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是控制流順序而不是程序代碼順序，因為要考慮分支、循環(huán)等結(jié)構(gòu)。
• 管程鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）：一個 unlock 操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的 lock 操作。這里必須強調(diào)的是同一個鎖，而 “后面” 是指時間上的先后順序。
• volatile 變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）：對一個 volatile 變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作，這里的 “后面” 同樣是指時間上的先后順序。
• 線程啟動規(guī)則（Thread Start Rule）：Thread 對象的 start () 方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。
• 線程終止規(guī)則（Thread Termination Rule）：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測，我們可以通過 Thread.join () 方法結(jié)束、Thread.isAlive () 的返回值等手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。
• 線程中斷規(guī)則（Thread Interruption Rule）：對線程 interrupt () 方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生，可以通過 Thread.interrupted () 方法檢測到是否有中斷發(fā)生。
• 對象終結(jié)規(guī)則（Finalizer Rule）：一個對象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行發(fā)生于它的 finalize () 方法的開始。
• 傳遞性（Transitivity）：如果操作 A 先行發(fā)生于操作 B，操作 B 先行發(fā)生于操作 C，那就可以得出操作 A 先行發(fā)生于操作 C 的結(jié)論。

極簡實踐案例

Java 語言無須任何同步手段保障，就能成立的先行發(fā)生規(guī)則，就只有上面這些了。下面舉個例子來說明如何用這些規(guī)則去判斷操作是否具備順序性，是否是線程安全的。

private int value = 0;

public void setValue(int value){
    this.value = value;
}

public int getValue(){
    return value;
}

上面的代碼是一組很普通的 getter/setter 方法。假設(shè)線程 A 和 B，線程 A 先（時間上的先后）調(diào)用了 setValue(1)，之后線程 B 調(diào)用了同一個對象的 getValue()，那么線程 B 收到的返回值是什么？

我們依次分析一下先行發(fā)生原則中的各項規(guī)則：

• 首先，由于兩個方法分別由線程 A 和線程 B 調(diào)用，不在一個線程中，所以程序次序規(guī)則在這里不適用。
• 接著，由于沒有同步塊，自然就不會發(fā)生 lock 和 unlock 操作，所以管程鎖定規(guī)則不適用。
• 繼續(xù)，由于 value 變量沒有被 volatile 關(guān)鍵字修飾，所以 volatile 變量規(guī)則不適用。
• 繼續(xù)，后面的線程啟動、終止、中斷規(guī)則和對象終結(jié)規(guī)則也和這里完全沒有關(guān)系。
• 最后，因為沒有一個適用的先行發(fā)生規(guī)則，所以最后一條傳遞性也無從談起。

因此，即使我們知道線程 A 在操作時間上先于線程 B，但我們還是無法確定線程 B getValue() 方法的返回結(jié)果。換句話說，這里面的操作不是線程安全的。

那怎么修復(fù)這個問題呢？

我們至少有兩種比較簡單的方案可以選擇：

• 第一種，要么把getter/setter? 方法都定義為synchronized 方法，這樣就可以套用管程鎖定規(guī)則。
• 第二種，要么把value? 定義為volatile? 變量，由于setter? 方法對value? 的修改不依賴value? 的原值，滿足volatile? 關(guān)鍵字使用場景，這樣就可以套用volatile 變量規(guī)則來實現(xiàn)先行發(fā)生關(guān)系。

通過上面這個案例，我們知道：一個操作時間上線發(fā)生，不代表這個操作會「先行發(fā)生」。 那如果一個操作「先行發(fā)生」，是否就能推導(dǎo)出這個操作必定是時間上先發(fā)生呢？其實并不能，因為有可能發(fā)生指令重排序。

// 如下操作在同一個線程中執(zhí)行
int j = 1;
int j = 2;

上述代碼在同一線程中執(zhí)行，根據(jù)程序執(zhí)行次序規(guī)則，int i = 1; 的操作先行發(fā)生于 int j = 2;，但 int j =2 的代碼有可能被處理器先執(zhí)行，因為它們不相互依賴，不影響先行發(fā)生原則的正確性。

上述這兩個案例綜合起來證明了一個結(jié)論：時間先后順序與先行發(fā)生原則之間基本沒有太大的關(guān)系，所以我們衡量并發(fā)安全問題的時候不要受到時間順序的干擾，一切必須以先行發(fā)生原則為準(zhǔn)。

總結(jié)

happens-before 原則一共有 8 條原則，它是對 Java 內(nèi)存模型規(guī)則的簡化，可以幫助編程人員提高編程效率。

時間先后順序與先行發(fā)生原則之間基本沒有太大的關(guān)系，我們衡量并發(fā)安全問題的時候不要受到時間順序的干擾，一切必須以先行發(fā)生原則為準(zhǔn)。

深入理解 happens-before 原則