Java利用happen-before規(guī)則如何實(shí)現(xiàn)共享變量的同步操作詳解

前言

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熟悉 Java 并發(fā)編程的都知道，JMM(Java 內(nèi)存模型) 中的 happen-before(簡(jiǎn)稱 hb)規(guī)則，該規(guī)則定義了 Java 多線程操作的有序性和可見性，防止了編譯器重排序?qū)Τ绦蚪Y(jié)果的影響。

Java語言中有一個(gè)“先行發(fā)生”（happen—before）的規(guī)則，它是Java內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的偏序關(guān)系，如果操作A先行發(fā)生于操作B，其意思就是說，在發(fā)生操作B之前，操作A產(chǎn)生的影響都能被操作B觀察到，“影響”包括修改了內(nèi)存中共享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等，它與時(shí)間上的先后發(fā)生基本沒有太大關(guān)系。這個(gè)原則特別重要，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競(jìng)爭(zhēng)、線程是否安全的主要依據(jù)。

按照官方的說法：

當(dāng)一個(gè)變量被多個(gè)線程讀取并且至少被一個(gè)線程寫入時(shí)，如果讀操作和寫操作沒有 HB 關(guān)系，則會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問題。

要想保證操作 B 的線程看到操作 A 的結(jié)果（無論 A 和 B 是否在一個(gè)線程），那么在 A 和 B 之間必須滿足 HB 原則，如果沒有，將有可能導(dǎo)致重排序。

當(dāng)缺少 HB 關(guān)系時(shí)，就可能出現(xiàn)重排序問題。

HB 有哪些規(guī)則？

這個(gè)大家都非常熟悉了應(yīng)該，大部分書籍和文章都會(huì)介紹，這里稍微回顧一下：

• 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作；
• 鎖定規(guī)則：在監(jiān)視器鎖上的解鎖操作必須在同一個(gè)監(jiān)視器上的加鎖操作之前執(zhí)行。
• volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作；
• 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C；
• 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作；
• 線程中斷規(guī)則：對(duì)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(cè)到中斷事件的發(fā)生；
• 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行；
• 對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始；

其中，傳遞規(guī)則我加粗了，這個(gè)規(guī)則至關(guān)重要。如何熟練的使用傳遞規(guī)則是實(shí)現(xiàn)同步的關(guān)鍵。

然后，再換個(gè)角度解釋 HB：當(dāng)一個(gè)操作 A HB 操作 B，那么，操作 A 對(duì)共享變量的操作結(jié)果對(duì)操作 B 都是可見的。

同時(shí)，如果 操作 B HB 操作 C，那么，操作 A 對(duì)共享變量的操作結(jié)果對(duì)操作 B 都是可見的。

而實(shí)現(xiàn)可見性的原理則是 cache protocol 和 memory barrier。通過緩存一致性協(xié)議和內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)可見性。

如何實(shí)現(xiàn)同步？

在 Doug Lea 著作 《Java Concurrency in Practice》中，有下面的描述：

書中提到：通過組合 hb 的一些規(guī)則，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)未被鎖保護(hù)變量的可見性。

但由于這個(gè)技術(shù)對(duì)語句的順序很敏感，因此容易出錯(cuò)。

樓主接下來，將演示如何通過 volatile 規(guī)則和程序次序規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)變量同步。

來一個(gè)熟悉的例子：

class ThreadPrintDemo {

 static int num = 0;
 static volatile boolean flag = false;

 public static void main(String[] args) {

 Thread t1 = new Thread(() -> {
  for (; 100 > num; ) {
  if (!flag && (num == 0 || ++num % 2 == 0)) {
   System.out.println(num);
   flag = true;
  }
  }
 }
 );

 Thread t2 = new Thread(() -> {
  for (; 100 > num; ) {
  if (flag && (++num % 2 != 0)) {
   System.out.println(num);
   flag = false;
  }
  }
 }
 );

 t1.start();
 t2.start();
 }
}

這段代碼的作用是兩個(gè)線程間隔打印出 0 - 100 的數(shù)字。

熟悉并發(fā)編程的同學(xué)肯定要說了，這個(gè) num 變量沒有使用 volatile，會(huì)有可見性問題，即：t1 線程更新了 num，t2 線程無法感知。

哈哈，樓主剛開始也是這么認(rèn)為的，但最近通過研究 HB 規(guī)則，我發(fā)現(xiàn)，去掉 num 的 volatile 修飾也是可以的。

我們分析一下，樓主畫了一個(gè)圖：

我們分析這個(gè)圖：

• 首先，紅色和黃色表示不同的線程操作。
• 紅色線程對(duì) num 變量做 ++，然后修改了 volatile 變量，這個(gè)是符合 程序次序規(guī)則的。也就是 1 HB 2.
• 紅色線程對(duì) volatile 的寫 HB 黃色線程對(duì) volatile 的讀，也就是 2 HB 3.
• 黃色線程讀取 volatile 變量，然后對(duì) num 變量做 ++，符合 程序次序規(guī)則，也就是 3 HB 4.
• 根據(jù)傳遞性規(guī)則，1 肯定 HB 4. 所以，1 的修改對(duì) 4來說都是可見的。
  

注意：HB 規(guī)則保證上一個(gè)操作的結(jié)果對(duì)下一個(gè)操作都是可見的。

所以，上面的小程序中，線程 A 對(duì) num 的修改，線程 B 是完全感知的 —— 即使 num 沒有使用 volatile 修飾。

這樣，我們就借助 HB 原則實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)變量的同步操作，也就是在多線程環(huán)境中，保證了并發(fā)修改共享變量的安全性。并且沒有對(duì)這個(gè)變量使用 Java 的原語：volatile 和 synchronized 和 CAS（假設(shè)算的話）。

這可能看起來不安全（實(shí)際上安全），也好像不太容易理解。因?yàn)檫@一切都是 HB 底層的 cache protocol 和 memory barrier 實(shí)現(xiàn)的。

其他規(guī)則實(shí)現(xiàn)同步

利用線程終結(jié)規(guī)則實(shí)現(xiàn)：

 static int a = 1;

 public static void main(String[] args) {
 Thread tb = new Thread(() -> {
  a = 2;
 });
 Thread ta = new Thread(() -> {
  try {
  tb.join();
  } catch (InterruptedException e) {
  //NO
  }
  System.out.println(a);
 });

 ta.start();
 tb.start();
 }

利用線程 start 規(guī)則實(shí)現(xiàn)：

 static int a = 1;

 public static void main(String[] args) {
 Thread tb = new Thread(() -> {
  System.out.println(a);
 });
 Thread ta = new Thread(() -> {
  tb.start();
  a = 2;
 });

 ta.start();
 }

這兩個(gè)操作，也可以保證變量 a 的可見性。

確實(shí)有點(diǎn)顛覆之前的觀念。之前的觀念中，如果一個(gè)變量沒有被 volatile 修飾或 final 修飾，那么他在多線程下的讀寫肯定是不安全的 —— 因?yàn)闀?huì)有緩存，導(dǎo)致讀取到的不是最新的。

然而，通過借助 HB，我們可以實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

雖然本文標(biāo)題是通過 happen-before 實(shí)現(xiàn)對(duì)共享變量的同步操作，但主要目的還是更深刻的理解 happen-before，理解他的 happen-before 概念其實(shí)就是保證多線程環(huán)境中，上一個(gè)操作對(duì)下一個(gè)操作的有序性和操作結(jié)果的可見性。

同時(shí)，通過靈活的使用傳遞性規(guī)則，再對(duì)規(guī)則進(jìn)行組合，就可以將兩個(gè)線程進(jìn)行同步 —— 實(shí)現(xiàn)指定的共享變量不使用原語也可以保證可見性。雖然這好像不是很易讀，但也是一種嘗試。

關(guān)于如何組合使用規(guī)則實(shí)現(xiàn)同步，Doug Lea 在 JUC 中給出了實(shí)踐。

例如老版本的 FutureTask 的內(nèi)部類 Sync（已消失），通過 tryReleaseShared 方法修改 volatile 變量，tryAcquireShared 讀取 volatile 變量，這是利用了 volatile 規(guī)則；

通過在 tryReleaseShared 之前設(shè)置非 volatile 的 result 變量，然后在 tryAcquireShared 之后讀取 result 變量，這是利用了程序次序規(guī)則。

從而保證 result 變量的可見性。和我們的第一個(gè)例子類似：利用程序次序規(guī)則和 volatile 規(guī)則實(shí)現(xiàn)普通變量可見性。

而 Doug Lea 自己也說了，這個(gè)“借助”技術(shù)非常容易出錯(cuò)，要謹(jǐn)慎使用。但在某些情況下，這種“借助”是非常合理的。

實(shí)際上，BlockingQueue 也是“借助”了 happen-before 的規(guī)則。還記得 unlock 規(guī)則嗎？當(dāng) unlock 發(fā)生后，內(nèi)部元素一定是可見的。

而類庫中還有其他的操作也“借助”了 happen-before 原則：并發(fā)容器，CountDownLatch，Semaphore，F(xiàn)uture，Executor，CyclicBarrier，Exchanger 等。

總而言之，言而總之：

happen-before 原則是 JMM 的核心所在，只有滿足了 hb 原則才能保證有序性和可見性，否則編譯器將會(huì)對(duì)代碼重排序。hb 甚至將 lock 和 volatile 也定義了規(guī)則。

通過適當(dāng)?shù)膶?duì) hb 規(guī)則的組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)普通共享變量的正確使用。

好了，以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)創(chuàng)新互聯(lián)的支持。

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