Java利用happen-before規則如何實現共享變量的同步操作詳解

前言

熟悉Java 並發編程的都知道，JMM(Java 內存模型) 中的happen-before(簡稱hb)規則，該規則定義了Java 多線程操作的有序性和可見性，防止了編譯器重排序對程序結果的影響。

Java語言中有一個“先行發生”（happen―before）的規則，它是Java內存模型中定義的兩項操作之間的偏序關係，如果操作A先行發生於操作B，其意思就是說，在發生操作B之前，操作A產生的影響都能被操作B觀察到，“影響”包括修改了內存中共享變量的值、發送了消息、調用了方法等，它與時間上的先後發生基本沒有太大關係。這個原則特別重要，它是判斷數據是否存在競爭、線程是否安全的主要依據。

按照官方的說法：

當一個變量被多個線程讀取並且至少被一個線程寫入時，如果讀操作和寫操作沒有HB 關係，則會產生數據競爭問題。

要想保證操作B 的線程看到操作A 的結果（無論A 和B 是否在一個線程），那麼在A 和B 之間必須滿足HB 原則，如果沒有，將有可能導致重排序。

當缺少HB 關係時，就可能出現重排序問題。

HB 有哪些規則？

這個大家都非常熟悉了應該，大部分書籍和文章都會介紹，這裡稍微回顧一下：

• 程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作；
• 鎖定規則：在監視器鎖上的解鎖操作必須在同一個監視器上的加鎖操作之前執行。
• volatile變量規則：對一個變量的寫操作先行發生於後面對這個變量的讀操作；
• 傳遞規則：如果操作A先行發生於操作B，而操作B又先行發生於操作C，則可以得出操作A先行發生於操作C；
• 線程啟動規則：Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每一個動作；
• 線程中斷規則：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；
• 線程終結規則：線程中所有的操作都先行發生於線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行；
• 對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始；

其中，傳遞規則我加粗了，這個規則至關重要。如何熟練的使用傳遞規則是實現同步的關鍵。

然後，再換個角度解釋HB：當一個操作A HB 操作B，那麼，操作A 對共享變量的操作結果對操作B 都是可見的。

同時，如果操作B HB 操作C，那麼，操作A 對共享變量的操作結果對操作B 都是可見的。

而實現可見性的原理則是cache protocol 和memory barrier。通過緩存一致性協議和內存屏障實現可見性。

如何實現同步？

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 的一些規則，可以實現對某個未被鎖保護變量的可見性。

但由於這個技術對語句的順序很敏感，因此容易出錯。

樓主接下來，將演示如何通過volatile 規則和程序次序規則實現對一個變量同步。

來一個熟悉的例子：

 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線程間隔打印出0 - 100 的數字。

熟悉並發編程的同學肯定要說了，這個num 變量沒有使用volatile，會有可見性問題，即：t1 線程更新了num，t2 線程無法感知。

哈哈，樓主剛開始也是這麼認為的，但最近通過研究HB 規則，我發現，去掉num 的volatile 修飾也是可以的。

我們分析一下，樓主畫了一個圖：

我們分析這個圖：

• 首先，紅色和黃色表示不同的線程操作。
• 紅色線程對num 變量做++，然後修改了volatile 變量，這個是符合程序次序規則的。也就是1 HB 2.
• 紅色線程對volatile 的寫HB 黃色線程對volatile 的讀，也就是2 HB 3.
• 黃色線程讀取volatile 變量，然後對num 變量做++，符合程序次序規則，也就是3 HB 4.
• 根據傳遞性規則，1 肯定HB 4. 所以，1 的修改對4來說都是可見的。
  

注意： HB 規則保證上一個操作的結果對下一個操作都是可見的。

所以，上面的小程序中，線程A 對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 原則實現了對一個變量的同步操作，也就是在多線程環境中，保證了並發修改共享變量的安全性。並且沒有對這個變量使用Java 的原語：volatile 和synchronized 和CAS（假設算的話）。

這可能看起來不安全（實際上安全），也好像不太容易理解。因為這一切都是HB 底層的cache protocol 和memory barrier 實現的。

其他規則實現同步

利用線程終結規則實現：

 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 規則實現：

 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(); }

這兩個操作，也可以保證變量a 的可見性。

確實有點顛覆之前的觀念。之前的觀念中，如果一個變量沒有被volatile 修飾或final 修飾，那麼他在多線程下的讀寫肯定是不安全的―― 因為會有緩存，導致讀取到的不是最新的。

然而，通過借助HB，我們可以實現。

總結

雖然本文標題是通過happen-before 實現對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 概念其實就是保證多線程環境中，上一個操作對下一個操作的有序性和操作結果的可見性。

同時，通過靈活的使用傳遞性規則，再對規則進行組合，就可以將兩個線程進行同步―― 實現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。

關於如何組合使用規則實現同步，Doug Lea 在JUC 中給出了實踐。

例如老版本的FutureTask 的內部類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 規則；

通過在tryReleaseShared 之前設置非volatile 的result 變量，然後在tryAcquireShared 之後讀取result 變量，這是利用了程序次序規則。

從而保證result 變量的可見性。和我們的第一個例子類似：利用程序次序規則和volatile 規則實現普通變量可見性。

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

實際上，BlockingQueue 也是“借助”了happen-before 的規則。還記得unlock 規則嗎？當unlock 發生後，內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：並發容器，CountDownLatch，Semaphore，Future，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，否則編譯器將會對代碼重排序。 hb 甚至將lock 和volatile 也定義了規則。

通過適當的對hb 規則的組合，可以實現對普通共享變量的正確使用。

好了，以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對武林網的支持。