什么是Java内存模型中的“ happens-before”原则？它如何确保可见性和有序性？

Question

什么是Java内存模型中的“ happens-before”原则？它如何确保可见性和有序性？

Answer 1

Java内存模型中的“happens-before”原则是一种定义在并发环境中的线程间操作执行顺序和可见性的规则集。它描述了一种偏序关系，用来确保一个线程中的操作对于其他线程而言是可见的，并且这些操作的执行顺序在逻辑上是有序的，即使实际的硬件指令执行可能由于编译器优化、处理器重排序等因素而被打乱。

确保可见性：
Happens-before原则确保了一个线程对共享变量的写操作对其它线程的读操作可见。如果一个操作A happens-before 操作B，那么A对共享数据的所有更改都将被B观察到，即B不会看到A操作之前的数据状态，而只能看到A操作后的结果。这防止了由于缓存一致性问题或编译器优化导致的数据不可见问题，保证了并发环境下不同线程对共享数据的一致视图。

确保有序性：
尽管在单线程程序中，代码的执行顺序通常与源代码的编写顺序一致，但在多线程环境中，由于编译器和处理器为了提高性能可能会进行指令重排序，实际的执行顺序可能与源代码顺序不完全一致。Happens-before原则通过规定特定的操作顺序，确保了在遵循该原则的两个操作之间，即使存在潜在的重排序，也必须保持一种逻辑上的顺序性，即对于观察者而言，这些操作看起来像是按照某种特定顺序执行的。

以下是一些具体的happens-before关系实例：

1. 程序顺序规则：
   在同一个线程内部，按照程序书写的顺序，前面的操作happens-before于后面的操作。这意味着在单个线程内，代码的执行顺序按照源码顺序进行，对共享变量的修改对于后续的读取是可见的。

2. volatile变量规则：
   对一个volatile变量的写操作happens-before所有后续对同一变量的读操作。volatile除了保证可见性外，还通过插入内存屏障禁止了指令重排序，确保了对volatile变量的写入和随后的读取在多线程环境下的顺序性。

3. 锁规则：
   一个unlock操作happens-before于随后对同一个锁的lock操作。这意味着在一个锁的临界区内对共享变量的修改，对随后进入该临界区的其他线程是可见的。

4. 传递性：
   如果操作A happens-before 操作B，操作B happens-before 操作C，那么可以推断出操作A happens-before 操作C。这意味着happens-before关系可以链式传递，形成更复杂操作序列的可见性和有序性保证。

5. 线程启动与结束规则：
   线程的start()方法调用happens-before于该线程的每一个动作；线程的所有操作happens-before于其他线程对该线程的join()方法成功返回。

通过这些规则，Java内存模型的happens-before原则为程序员提供了一种推理工具，用于判断在没有同步措施的情况下，哪些数据竞争是可能发生的，以及如何通过正确使用同步原语（如volatile、synchronized等）来确保程序的正确性和一致性。即使编译器和处理器进行各种优化和重排序，只要这些优化不违反happens-before原则，程序的并发行为就能得到保障。