Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

摘要

在上一篇文章Java并发编程实战 01并发Bug的源头当中，讲到了CPU缓存导致可见性、线程切换导致了原子性、编译优化导致了有序性问题。那么这篇文章就先解决其中的可见性和有序性问题，引出了今天的主角：Java内存模型（面试并发的时候会经常考核到）

什么是Java内存模型？

现在知道了CPU缓存导致可见性、编译优化导致了有序性问题，那么最简单的方式就是直接禁用CPU缓存和编译优化。但是这样做我们的性能可就要爆炸了~。我们应该按需禁用。

Java内存模型是有一个很复杂的规范，但是站在程序员的角度上可以理解为：Java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。

具体包括 volatile、synchronized、final三个关键字，以及六项Happens-Before规则。

volatile关键字

volatile有禁用CPU缓存的意思，禁用CPU缓存那么操作数据变量时直接是直接从内存中读取和写入。如：使用volatile声明变量 volatile boolean v = false，那么操作变量v时则必须从内存中读取或写入，但是在低于Java版本1.5以前，可能会有问题。

在下面这段代码当中，假设线程A执行了write方法，线程B执行了reader方法，假设线程B判断到了this.v == true进入到了判断条件中，那么此时的x会是多少呢？

public class VolatileExample {
    private int x = 0;
    private volatile boolean v = false;

    public void write() {
        this.x = 666;
        this.v = true;
    }

    public void reader() {
        if (this.v == true) {
            // 这里的x会是多少呢？
        }
    }
}

在1.5版本之前，该值可能为666，也可能为0；因为变量x并没有禁用缓存（volatile），但是在1.5版本以后，该值一定为666；因为Happens-Before规则。

什么是Happens-Before规则

Happens-Before规则要表达的是：前面一个操作的结果对后续是可见的。如果第一次接触该规则，可能会有一些困惑，但是多去阅读几遍，就会加深理解。

1.程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作Happens-Before于后续的任意操作（意思就是前面的操作结果对于后续任意操作都是可以看到的）。就如上面的那段代码，按照程序的顺序：this.x = 666 Happens-Before于 this.v = true。

2.Volatile 变量规则

这条规则指的是对一个Volatile变量的写操作，Happens-Before该变量的读操作。意思也就是：假设该变量被线程A写入后，那么该变量对于任何线程都是可见的。也就是禁用了CPU缓存的意思，如果是这样的话，那么和1.5版本以前没什么区别啊！那么如果再看一下规则3，就不同了。

3.传递性

这条规则指的是：如果 A Happens-Before 于B，且 B Happens-Before 于 C。那么 A Happens-Before 于 C。这就是传递性的规则。我们再来看看刚才那段代码（我复制下来方便看）

public class VolatileExample {
    private int x = 0;
    private volatile boolean v = false;

    public void write() {
        this.x = 666;
        this.v = true;
    }

    public void reader() {
        if (this.v == true) {
            // 读取变量x
        }
    }
}

在上面代码，我们可以看到，this.x = 666 Happens-Before this.v = true，this.v = true Happens-Before 读取变量x，根据传递性规则this.x = 666 Happens-Befote 读取变量x，那么说明了读取到变量this.v = true时，那么此时的读取变量x的指必定为666

假设线程A执行了write方法，线程B执行reader方法且此时的this.v == true，那么根据刚才所说的传递性规则，读取到的变量x必定为666。这就是1.5版本对volatile语义的增强。而如果在版本1.5之前，因为变量x并没有禁用缓存（volatile），所以变量x可能为0哦。

4.管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁操作 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁操作。管程是一种通用的同步原语，在Java中，synchronized是Java里对管程的实现。

管程中的锁在Java里是隐式实现的。如下面的代码，在进入同步代码块前，会自动加锁，而在代码块执行完后会自动解锁。这里的加锁和解锁都是编译器帮我们实现的。

synchronized(this) { // 此处自动加锁
   // x是共享变量，初始值 = 0
   if (this.x < 12) {
      this.x = 12;
   }
} // 此处自动解锁

结合管程中的锁规则，假设x的初始值为0，线程A执行完代码块后值会变成12，那么当线程A解锁后，线程B获取到锁进入到代码块后，就能看到线程A的执行结果x = 12。这就是管程中锁的规则

5.线程的start()规则

这条规则是关于线程启动的，该规则指的是主线程A启动子线程B后，子线程B能够看到主线程启动子线程B前的操作。

用HappensBefore解释：线程A调用线程B的start方法 Happens-Before 线程B中的任意操作。参考代码如下：

    int x = 0;
    public void start() {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println(this.x);
        });

        this.x = 666;
        // 主线程启动子线程
        thread.start();
    }

此时在子线程中打印的变量x值为666，你也可以尝试一下。

6.线程join()规则

这条规则是关于线程等待的，该规则指的是主线程A等待子线程B完成（主线A通过调用子线程B的join()方法实现），当子线程B完成后，主线程能够看到子线程的操作，这里的看到指的是共享变量 的操作，用Happens-Before解释：如果在线程A中调用了子线程B的join()方法并成功返回，那么子线程B的任意操作 Happens-Before 于主线程调用子线程Bjoin()方法的后续操作。看代码比较容易理解，示例代码如下：

    int x = 0;
    public void start() {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            this.x = 666;
        });
        // 主线程启动子线程
        thread.start();
        // 主线程调用子线程的join方法进行等待
        thread.join();
        // 此时的共享变量 x == 666
    }

被忽略的final

在1.5版本之前，除了值不可改变以外，final字段其实和普通的字段一样。

在1.5以后的Java内存模型中，对final类型变量重排进行了约束。现在只要我们的提供正确的构造函数没有逸出，那么在构造函数初始化的final字段的最新值，必定可以被其他线程所看到。代码如下：

class FinalFieldExample {
  final int x;
  int y;
  static FinalFieldExample f;
  public FinalFieldExample() {
    x = 3;
    y = 4;
  }

  static void writer() {
    f = new FinalFieldExample();
  }

  static void reader() {
    if (f != null) {
      int i = f.x;
      int j = f.y;
    }
  }

当线程执行reader()方法，并且f != null时，那么此时的final字段修饰的f.x 必定为 3，但是y不能保证为4，因为它不是final的。如果这是在1.5版本之前，那么f.x也是不能保证为3。

那么何为逸出呢？我们修改一下构造函数:

 public FinalFieldExample() {
   x = 3;
   y = 4;
   // 此处为逸出
   f = this;
 }

这里就不能保证 f.x == 3了，就算x变量是用final修饰的，为什么呢？因为在构造函数中可能会发生指令重排，执行变成下面这样：

    // 此处为逸出
   f = this;
   x = 3;
   y = 4;

那么此时的f.x == 0。所以在构造函数中没有逸出，那么final修饰的字段没有问题。详情的案例可以参考这个文档

总结

在这篇文章当中，我一开始对于文章最后部分的final约束重排一直看的不懂。网上不断地搜索资料和看文章当中提供的资料我才慢慢看懂，反复看了不下十遍。可能脑子不太灵活吧。

该文章主要的核心内容就是Happens-Before规则，把这几条规则搞懂了就ok。

参考文章：极客时间：Java并发编程实战 02

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