前言

在前幾章中，我們介紹了執行緒安全相關的關鍵字synchronized與volatile的使用，在介紹其原理的過程中，我們提及到了Java中的“happen-before”規則，這個規則對於我們理解Java多執行緒開發非常的有用，本文我們就來了解一下什麼是happen-before規則。

什麼是happen-before？

在上一篇我們介紹volatile實現機制的時候，在指令重排序的部分，我們提及到了happen-before原則，happen-before即先行發生，是Java記憶體模型中定義的兩項操作之間的偏序關係，如果說操作A先行發生於操作B，其實就是說發生操作B之前，操作A產生的影響能被操作B觀察到，“影響”包括修改了記憶體中的共享變數的值、傳送了訊息、呼叫了方法等。

這個原則非常的重要，它是判斷資料是否存在競爭、執行緒是否安全的主要依據，依靠這個原則，我們可以通過幾條規則解決併發環境下兩個操作之間是否可能存在衝突的所有問題。

我們舉一個小例子來看一下：

/**
 * Created by xuanguangyao on 2018/8/20.
 */
public class HappenBeforeDemo {

    //該操作線上程1執行
    public static int i = 1;

    //該操作線上程2執行
    public static int j = i;

    //該操作線上程3執行
    public static int i = 2
 
;

}

上面的例子中，我們聲明瞭兩個靜態類變數，i與j，然後在三條執行緒中操作這兩個變數，假設執行緒1中操作“i=1”先行發生於執行緒2的操作“j=i”，那麼可以確定線上程2的操作執行後，變數j的值一定等於1，得出這個結論的依據有兩個：

一是根據先行發生原則，“i=1”的結果可以被觀察到；

二是執行緒3還沒啟動，執行緒1操作結束之後沒有執行緒會修改變數i的值。

現在再來考慮執行緒3，我們依然保持執行緒1與執行緒2之間的先行發生關係，而執行緒3出現線上程1與執行緒2的操作之間，但是執行緒3與執行緒2沒有先行發生關係，那麼j的值是多少呢？

其實是不確定的，1和2都有可能，因為執行緒3對變數i的影響可能會被執行緒2觀察到，也可能不會，這時候執行緒2就存在讀取到過期資料的風險，不具備多執行緒安全性。

那什麼情況下是多執行緒安全的呢？

當多個執行緒訪問同一個物件時，如果不用考慮這些執行緒在執行時環境下的排程和交替執行，也不需要進行額外的同步，或者在呼叫方進行任何其他的協調操作，呼叫這個物件的行為都可以獲取正確的結果，那這個物件是執行緒安全的。

happen-before規則

下面是Java記憶體模型中的八條可保證happen-before的規則，它們無需任何同步器協助就已經存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個操作之間的關係不在此列，並且無法從下列規則推匯出來的話，它們就沒有順序性保障，虛擬機器可以對它們進行隨機地重排序。

• 程式次序規則：在一個執行緒內，按照程式程式碼順序，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作。準確地說，應該是控制流順序而不是程式程式碼順序，因為要考慮分支、迴圈等結構。
• 管程鎖定：一個unlock操作先行發生於後面對同一個鎖的lock操作。這裡必須強調的是同一個鎖，而“後面”是指時間上的先後順序。
• volatile變數規則：對一個volatile變數的寫操作先行發生於後面對這個變數的讀操作，這裡的“後面”同樣是指時間上的先後順序。
• 執行緒啟動規則：執行緒中的所有操作都先行發生於對此執行緒的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值等手段檢測到執行緒已經終止執行。
• 執行緒中斷規則：對執行緒interrupt()方法的呼叫先行發生於被中斷執行緒的程式碼檢測到中斷事件的發生，可以通過Thread.interrupt()方法檢測到是否有中斷髮生。
• 物件終結原則：一個物件的初始化完成（建構函式執行結束）先行發生於它的finalize()方法的開始。
• 傳遞性：如果操作A先行發生於操作B，操作B先行發生於操作C，那就可以得出操作A先行發生於操作C的結論。

Java中不需要任何同步手段保障就能成立的先行發生規則就是上面這些了，下面我們來看一個例子，如果使用這些規則去判定操作間是否具備順序性，對於讀寫共享變數的操作來說，就是執行緒是否安全。

public class HappenBeforeDemo {

    private int value = 0;

    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}    

在上面的例子中，假設存線上程A和B，執行緒A先（是指時間上）呼叫了setValue(1)，然後執行緒B呼叫了同一個物件的getValue()，那麼執行緒B收到的返回值是什麼呢？

我們依次分析一下先行發生原則的各項規則，由於兩個方法分別由執行緒A和執行緒B呼叫，不在一個執行緒中，所以第一條程式次序規則不適用；

由於沒有同步塊，自然就不會發生lock和unlock操作，所以管程鎖定規則不適用；

由於value變數沒有被volatile關鍵字修飾，所以volatile變數規則不適用；

後面的執行緒啟動、終止、中斷規則和物件終結規則也和這裡完全沒有關係。

因為沒有一個適用的先行發生規則，所以最後一條傳遞性也無從談起，因此我們可以判定儘管執行緒A在操作時間上先於執行緒B，但是無法確定執行緒B中getValue()方法的返回結果，換句話說，這裡面的操作不是執行緒安全的。

那麼如何解決這個問題呢？我們可以在get/set方法前面加入synchronized關鍵字，這樣可以應用管程鎖定規則；或者把value定義為volatile變數，這樣可以應用volatile變數規則來實現先行發生原則。

通過上面的例子，我們可以得到結論：一個操作“時間上的先發生”不代表這個操作會是“先行發生”，那如果一個操作“先行發生”是否就能推匯出這個操作必定是“時間上的先發生”呢？事實上，也是不可以的，因為CPU指令重排序的存在，我們來看一個小例子：

int i = 1;

int j = 2;

上面的例子中，兩行程式碼在同一個執行緒中執行，根據程式次序規則，第一行程式碼應該先於第二行執行，但是由於兩行程式碼的執行結果沒有前後依賴關係，因此處理器可以對其進行重排序。

結語

我們總結一下，時間先後順序與先行發生原則之間基本沒有太大的關係，所以我們衡量併發安全問題的時候不要受到時間順序的干擾，一切以先行發生原則為準。

本文參考：《深入理解Java虛擬機器》

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