可見性有序性，Happens-before來搞定

寫在前面

上一篇文章併發 Bug 之源有三，請睜大眼睛看清它們 談到了可見性/原子性/有序性三個問題，這些問題通常違揹我們的直覺和思考模式，也就導致了很多併發 Bug

• 為了解決 CPU，記憶體，IO 的短板，增加了快取，但這導致了可見性問題
• 編譯器/處理器擅自優化 ( Java程式碼在編譯後會變成 Java 位元組碼, 位元組碼被類載入器載入到 JVM 裡, JVM 執行位元組碼, 最終需要轉化為彙編指令在 CPU 上執行) ，導致有序性問題

初衷是好的，但引發了新問題，最有效的辦法就禁止快取和編譯優化，問題雖然能解決，但「又回到最初的起點，呆呆地站在鏡子前」是很尷尬的，我們程式的效能就堪憂了.

解決方案

1. 作為我們程式猿不想寫出 bug 影響 KPI，所以希望記憶體模型易於理解、易於程式設計。這就需要基於一個強記憶體模型來編寫程式碼
2. 作為編譯器和處理器不想讓外人說它處理速度很慢，所以希望記憶體模型對他們束縛越少越好，可以由他們擅自優化，這就需要基於一個弱記憶體模型

俗話說:「沒有什麼事是開會解決不了的，如果有，那就再開一次」?

JSR-133 的專家們就有了新想法，既然不能完全禁止快取和編譯優化，那就按需禁用快取和編譯優化，按需就是要加一些約束，約束中就包括了上一篇文章簡單提到過的 volatile，synchronized，final 三個關鍵字，同時還有你可能聽過的 Happens-Before 原則(包含可見性和有序性的約束)，Happens-before 規則也是本章的主要內容

為了滿足二者的強烈需求，照顧到雙方的情緒，於是乎: JMM 就對程式猿說了一個善意的謊言: 「會嚴格遵守 Happpen-Befores 規則，不會重排序」讓程式猿放心，私下卻有自己的策略:

1. 對於會改變程式執行結果的重排序,JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。
2. 對於不會改變程式執行結果的重排序, JMM對編譯器和處理器不做要求 (JMM允許這種重排序)。

我們來用個圖說明一下:

這就是那個善意的謊言，雖是謊言，但還是照顧到了程式猿的利益，所以我們只需要瞭解 happens-before 規則就能得到保證 (圖畫了好久，不知道是否說明了謊言的所在?，歡迎留言)

Happens-before

Happens-before 規則主要用來約束兩個操作，兩個操作之間具有 happens-before 關係, 並不意味著前一個操作必須要在後一個操作之前執行，happens-before 僅僅要求前一個操作(執行的結果)對後一個操作可見, (the first is visible to and ordered before the second)

說了這麼多，先來看一小段程式碼帶你逐步走進 Happen-Befores 原則，看看是怎樣用該原則解決 可見性 和 有序性 的問題:

class ReorderExample {
  int x = 0;
  boolean flag = false;
  public void writer() {
    x = 42;    //1
    flag = true;    //2
  }
  public void reader() {
    if (flag) { //3
      System.out.println(x);    //4
    }
  }
}

假設 A 執行緒執行 writer 方法，B 執行緒執行 reader 方法，列印出來的 x 可能會是 0，上一篇文章說明過: 因為程式碼 1 和 2 沒有資料依賴關係，所以可能被重排序

flag = true;    //2
x = 42;    //1

所以，執行緒 A 將 flag = true 寫入但沒有為 x 重新賦值時，執行緒 B 可能就已經列印了 x 是 0

那麼為 flag 加上 volatile 關鍵字試一下:

volatile boolean flag = false;

即便加上了 volatile 關鍵字，這個問題在 java1.5 之前還是沒有解決，但 java1.5 和其之後的版本對 volatile 語義做了增強，問題得以解決，這就離不開 Happens-before 規則的約束了，總共有 6 個規則，且看

程式順序性規則

一個執行緒中的每個操作, happens-before 於該執行緒中的任意後續操作
第一感覺這個原則是一個在理想狀態下的"廢話"，並且和上面提到的會出現重排序的情況是矛盾的，注意這裡是一個執行緒中的操作，其實隱含了「as-if-serial」語義: 說白了就是隻要執行結果不被改變，無論怎麼"排序"，都是對的

這個規則是一個基礎規則，happens-before 是多執行緒的規則，所以要和其他規則約束在一起才能體現出它的順序性，彆著急，繼續向下看

volatile變數規則

對一個 volatile 域的寫, happens-before 於任意後續對這個 volatile 域的讀

我將上面的程式新增兩行程式碼作說明:

public class ReorderExample {

    private int x = 0;
    private int y = 1;
    private volatile boolean flag = false;

    public void writer(){
        x = 42;    //1
        y = 50;    //2
        flag = true;    //3
    }

    public void reader(){
        if (flag){    //4
            System.out.println("x:" + x);    //5
            System.out.println("y:" + y);    //6
        }
    }
}

這裡涉及到了 volatile 的記憶體增強語義，先來看個表格:

能否重排序	第二個操作	第二個操作	第二個操作
第一個操作	普通讀/寫	volatile 讀	volatile 寫
普通讀/寫	-	-	NO
volatile 讀	NO	NO	NO
volatile 寫	-	NO	NO

從這個表格 最後一列 可以看出:

如果第二個操作為 volatile 寫，不管第一個操作是什麼，都不能重排序，這就確保了 volatile 寫之前的操作不會被重排序到 volatile 寫之後
拿上面的程式碼來說，程式碼 1 和 2 不會被重排序到程式碼 3 的後面，但程式碼 1 和 2 可能被重排序 (沒有依賴也不會影響到執行結果)，說到這裡和 程式順序性規則是不是就已經關聯起來了呢？

從這個表格的 倒數第二行 可以看出:

如果第一個操作為 volatile 讀，不管第二個操作是什麼，都不能重排序，這確保了 volatile 讀之後的操作不會被重排序到 volatile 讀之前
拿上面的程式碼來說，程式碼 4 是讀取 volatile 變數，程式碼 5 和 6 不會被重排序到程式碼 4 之前

volatile 記憶體語義的實現是應用到了 「記憶體屏障」，因為這完全夠單獨寫一章的內容，這裡為了不掩蓋主角 Happens-before 的光環，保持理解 Happens-before 的連續性，先不做過多說明

到這裡，看這個規則，貌似也沒解決啥問題，因為它還要聯合第三個規則才起作用

傳遞性規則

如果 A happens-before B, 且 B happens-before C, 那麼 A happens-before C
直接上圖說明一下上面的例子

從上圖可以看出

• x =42 和 y = 50 Happens-before flag = true, 這是規則 1
• 寫變數(程式碼 3) flag=true Happens-before 讀變數(程式碼 4) if(flag)，這是規則 2

根據規則 3傳遞性規則，x =42 Happens-before 讀變數 if(flag)

謎案要揭曉了: 如果執行緒 B 讀到了 flag 是 true，那麼 x =42 和 y = 50 對執行緒 B 就一定可見了，這就是 Java1.5 的增強 (之前版本是可以普通變數寫和 volatile 變數寫的重排序的)

通常上面三個規則是一種聯合約束，到這裡你懂了嗎？規則還沒完，繼續看

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

這個規則我覺得你應該最熟悉了，就是解釋 synchronized 關鍵字的，來看

public class SynchronizedExample {
    private int x = 0;

    public void synBlock(){
        // 1.加鎖
        synchronized (SynchronizedExample.class){
            x = 1; // 對x賦值
        }
        // 3.解鎖
    }

    // 1.加鎖
    public synchronized void synMethod(){
        x = 2; // 對x賦值
    }
    // 3. 解鎖
}

先獲取鎖的執行緒，對 x 賦值之後釋放鎖，另外一個再獲取鎖，一定能看到對 x 賦值的改動，就是這麼簡單，請小夥伴用下面命令檢視上面程式，看同步塊和同步方法被轉換成彙編指令有何不同？

javap -c -v SynchronizedExample

這和 synchronized 的語義相關，小夥伴可以先自行了解一下，鎖的內容時會做詳細說明

start()規則

如果執行緒 A 執行操作 ThreadB.start() (啟動執行緒B), 那麼 A 執行緒的 ThreadB.start() 操作 happens-before 於執行緒 B 中的任意操作，也就是說，主執行緒 A 啟動子執行緒 B 後，子執行緒 B 能看到主執行緒在啟動子執行緒 B 前的操作，看個程式就秒懂了

public class StartExample {
    private int x = 0;
    private int y = 1;
    private boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StartExample startExample = new StartExample();

        Thread thread1 = new Thread(startExample::writer, "執行緒1");
        startExample.x = 10;
        startExample.y = 20;
        startExample.flag = true;

        thread1.start();

        System.out.println("主執行緒結束");
    }

    public void writer(){
        System.out.println("x:" + x );
        System.out.println("y:" + y );
        System.out.println("flag:" + flag );
    }
}

執行結果:

主執行緒結束
x:10
y:20
flag:true

Process finished with exit code 0

執行緒 1 看到了主執行緒呼叫 thread1.start() 之前的所有賦值結果，這裡沒有列印「主執行緒結束」，你知道為什麼嗎？這個守護執行緒知識有關係

join()規則

如果執行緒 A 執行操作 ThreadB.join() 併成功返回, 那麼執行緒 B 中的任意操作 happens-before 於執行緒 A 從 ThreadB.join() 操作成功返回，和 start 規則剛好相反，主執行緒 A 等待子執行緒 B 完成，當子執行緒 B 完成後，主執行緒能夠看到子執行緒 B 的賦值操作，將程式做個小改動，你也會秒懂的

public class JoinExample {
    private int x = 0;
    private int y = 1;
    private boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        JoinExample joinExample = new JoinExample();

        Thread thread1 = new Thread(joinExample::writer, "執行緒1");
        thread1.start();

        thread1.join();

        System.out.println("x:" + joinExample.x );
        System.out.println("y:" + joinExample.y );
        System.out.println("flag:" + joinExample.flag );
        System.out.println("主執行緒結束");
    }

    public void writer(){
        this.x = 100;
        this.y = 200;
        this.flag = true;
    }
}

執行結果:

x:100
y:200
flag:true
主執行緒結束

Process finished with exit code 0

「主執行緒結束」這幾個字列印出來嘍，依舊和執行緒何時退出有關係

總結

1. Happens-before 重點是解決前一個操作結果對後一個操作可見，相信到這裡，你已經對 Happens-before 規則有所瞭解，這些規則解決了多執行緒程式設計的可見性與有序性問題，但還沒有完全解決原子性問題(除了 synchronized)
2. start 和 join 規則也是解決主執行緒與子執行緒通訊的方式之一
3. 從記憶體語義的角度來說, volatile 的寫-讀與鎖的釋放-獲取有相同的記憶體效果；volatile 寫和鎖的釋放有相同的記憶體語義; volatile 讀與鎖的獲取有相同的記憶體語義，⚠️⚠️⚠️(敲黑板了) volatile 解決的是可見性問題，synchronized 解決的是原子性問題，這絕對不是一回事，後續文章也會說明

附加說明

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2. 多執行緒系列文章整體會按照我的大綱節奏來寫，但是如果大家有什麼疑問，也歡迎到我單獨建立的多執行緒系列問題留言彙總 文章中留言，我會統一回復，如果共通疑問很多，我會插入相關章節單獨做說明
3. 併發文章的相關程式碼，我也會同步上傳到程式碼庫，公眾號回覆「demo」，點選連結，找到concurrency 子專案即可
4. 如果文章對你有幫助，煩請小夥伴轉發分享給更多朋友，我們一起進步

靈魂追問

1. 同步塊和同步方法在編譯成 CPU 指令後有什麼不同？
2. 執行緒有 Daemon(守護執行緒)和非 Daemon 執行緒，你知道執行緒的退出策略嗎？
3. 關於 Happens-before 你還有哪些疑惑呢？

提高效率工具

MarkDown 表格生成器

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