happens-before

JMM 的设计

JMM（Java Memory Model）——Java内存模型的设计需要考虑两个关键因素：

  double pi = 3.14;  // A
  double r = 1.0;  // B
  double area = pi * r * r;  // C

以上代码存在3个 happens-before 关系：
① A happens-before B
② B happens-before C
③ A happens-before C
其中②和③是必需的，但①是不必要的。

JMM 把 happens-before 要求禁止的重排序分为两类：

JSR-133 使用 happens-before 的概念来指定两个操作之间的执行顺序。

如果一个操作 happens-before 另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。
两个操作之间存在 happens-before 关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照 happens-before 关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按 happens-before 关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

happens-before 关系本质上和 as-if-serial 语义是一回事。

as-if-serial 语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before 关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。
as-if-serial 语义给编写单线程程序的程序员创造了一个幻境：单线程程序是按程序的顺序来执行的。happens-before 关系给编写正确同步的多线程程序的程序员创造了一个幻境：正确同步的多线程程序是按 happens-before 指定的顺序来执行的。

as-if-serial 语义和 happens-before 这么做的目的，都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能地提高程序执行的并行度。

程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before 于该线程中的任意后续操作。
监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before 于随后对这个锁的加锁。
volatile 变量规则：对一个 volatile 域的写，happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。
传递性：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C。
start() 规则：如果线程A执行操作 ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的 ThreadB.start() 操作 happens-before 于线程B中的任意操作。
join() 规则：如果线程A执行操作 ThreadB.join() 并成功返回，那么线程B中的任意操作 happens-before 于线程A从 ThreadB.join() 操作成功返回。

①happens-before②和③happens-before④由程序顺序规则产生，②happens-before③由volatile变量规则产生，根据传递性，将有①happens-before④，即线程A对volatile变量的写对线程B对volatile变量的读可见。

假设线程A在执行的过程中，通过执行 ThreadB.start() 来启动线程B，同时假设线程A在执行 ThreadB.start() 之前修改了共享变量，线程B在开始执行后会读取共享变量，对应的 happens-before 关系如图所示：

①happens-before②由程序顺序规则产生，②happens-before④由start()规则产生，根据传递性，将有①happens-before④，即线程A在执行 ThreadB.start() 之前对共享变量所做的修改，接下来在线程B开始执行后都将确保对线程B可见。

假设线程A在执行的过程中，通过执行 ThreadB.join() 来等待线程B终止，同时假设线程B在终止之前修改了共享变量，线程A从 ThreadB.join() 返回后会读取共享变量，对应的 happens-before 关系如图所示：

②happens-before④由join()规则产生，④happens-before⑤由程序顺序规则产生，根据传递性，将有②happens-before⑤，即线程A在执行操作 ThreadB.join() 并成功返回后，线程B中的任意操作都将对线程A可见。