JAVA内存模型（Happens-Before 规则）

淡淡的烟草味﹌ 2021-06-10 20:39 376阅读 0赞

#### JAVA内存模型由来 ####

1、cpu多核缓存会带来数据的可见性问题  
2、编译优化会带来机器指令的有序性问题  
前面这两个问题是计算机科学，硬件发展衍生出来的。在提高性能的同时，也引发出对并发编程（共享变量）的一些问题。

*  解决可见性问题最简单的思路是禁用cpu缓存，每次读数据从内存中读取，写数据后就及时刷新到内存中。
 *  解决有序性问题最简单的思路是禁用指令重排序。

说白了就是放弃了计算机发展带来的便利，势必会造成性能的大幅下降。可是我们又要保证程序正确，没有并发问题，那我们可以按需禁用，只在存在并发问题的数据上禁用相关的优化。  
于是乎出现了 JAVA内存模型（Java Memory Model）：  
Java 内存模型的本质就是**规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。**

#### JAVA内存模型包含什么 ####

首先java提供了一系列关键字：synchronized、volitile、final。来保证并发情况下的可见性，原子性，有序性问题。  
另外就是Happens-Before 规则，它明确指定了java在一些场景下，**前面的操作对于后续的操作一定是可见的**，有了这些规则的实现，并发编程就会有迹可循。  
主要有以下几种场景：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzk2ODYxMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
针对Happens-Before 的几条规则，我也写了几个示例代码：

package jmm;
    
    import org.junit.Test;
    
    public class HappensBefore { 
    
    	private int shareVal = 1;
    
    	private volatile int volatileShareVal = 1;
    
    	private final Object mutex = new Object();
    
    	/** * @Description 管程中，前一个线程的解锁对后一个线程的加锁是可见的。（如果不能保证可见，锁的竞争就会有问题,也无法保证互斥同步） * @author chenwb * @date 2020/11/3 18:45 */
    	@Test
    	public void theLastThreadUnlockAreSeenByNextThreadLock() throws InterruptedException { 
    		Runnable runnable = () -> { 
    			synchronized (mutex) { 
    				shareVal++;
    			}
    		};
    		Thread work1 = new Thread(runnable);
    		Thread work2 = new Thread(runnable);
    		work1.start();
    		work2.start();
    		work1.join();
    		work2.join();
    	}
    
    	/** * @Description volatile变量的写操作对后续的读操作是可见的。（禁用缓存，同时加入内存屏障禁止了指令重排序） * @author chenwb * @date 2020/11/3 18:45 */
    	@Test
    	public void theOperationAfterWitriingVolitaleValCanSeeVolitaleVal() throws InterruptedException { 
    		Thread child = new Thread(() -> { 
    			for(;;) { 
    				System.out.println(volatileShareVal);
    				if(volatileShareVal == 77) { 
    					System.out.println(volatileShareVal);
    					break;
    				}
    			}
    		});
    		child.start();
    		// 此处的写对于后续对该变量的读都是可见的
    		volatileShareVal = 77;
    		child.join();
    	}
    
    	/** * @Description 主线程启动子线程，在子线程start前面的操作对子线程来说都是可见的。（目前的猜想是禁止重排序） * @author chenwb * @date 2020/11/3 18:45 */
    	@Test
    	public void theOperationsBeforeChildThreadStartAreSeenInChildThread() throws InterruptedException { 
    		Thread child = new Thread(() -> System.out.println(shareVal));
    		shareVal = 77;
    		// start之前的操作对于子线程是可见的，所以一定打印77
    		child.start();
    		// 加join是为了让子线程顺利打印，否则可能主线程会比子线程提前退出
    		child.join();
    	}
    
    	/** * @Description 主线程启动子线程，子线程调用join方法之后，子线程中的操作对join之后的代码都是可见的。（目前的猜想是禁止重排序） * @author chenwb * @date 2020/11/3 18:45 */
    	@Test
    	public void theOperationsBeforeChildThreadJoinAreSeenAfterThreadJoin() throws InterruptedException { 
    		Thread child = new Thread(() -> shareVal = 77);
    		child.start();
    		child.join();
    		// 子线程中的操作对于这里是可见的，所以结果一定是77
    		System.out.println(shareVal);
    	}
    
    	/** * @Description 线程中断规则：线程发起中断interrupt对于后续的中断检测代码Thread.interrupted()都是可见的。 * @author chenwb * @date 2020/11/3 18:45 */
    	@Test
    	public void theInterruptOperationsAreSeenByThreadInterrupted() throws InterruptedException { 
    		Thread child = new Thread(() -> { 
    			// 自旋判断是否中断
    			for (;;) { 
    				if (Thread.interrupted()) { 
    					// 中断发起之前的操作对于中断检测后是可见的，shareVal == 77（传递性规则）
    					System.out.println(shareVal);
    					break;
    				}
    			}
    		});
    		child.start();
    		shareVal = 77;
    		child.interrupt();
    		child.join();
    	}
    }

#### 小结 ####

1、上面的Happens-Before 规则，我看了字节码的实现，在字节码里面没有什么特殊的字节码。只有对volatile共享变量有标志：  
![在这里插入图片描述][20201104085859478.png_pic_center]  
其余的都是在机器指令级别控制的  
2、Happens-Before 规则有传递性，比如根据Happens-Before 规则判定A对B是可见的，而B对于C来说是可见的，那么可以判定A对于C来说也是可见的。这一特性在判断可见性问题时是很有用的。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzk2ODYxMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20210518/d8d5cc9081c849ac91cd4d86b0464071.png
[20201104085859478.png_pic_center]: /images/20210518/c8bc41d03130400fbb6d1c5d40868926.png