Java 語言在設計之初就引入了線程的概念，以充分利用現代處理器的計算能力，這既帶來了強大、靈活的多線程機制，也帶來了線程安全等令人混淆的問題，而 Java 內存模型（Java Memory Model，JMM）為我們提供了一個在紛亂之中達成一致的指導準則。 今天我要問你的問題是，Java 內存模型中的 happen-before 是什么？ ## 典型回答 Happen-before 關系，是 Java 內存模型中保證多線程操作可見性的機制，也是對早期語言規范中含糊的可見性概念的一個精確定義。 它的具體表現形式，包括但遠不止是我們直覺中的 synchronized、volatile、lock 操作順序等方面，例如： * 線程內執行的每個操作，都保證 happen-before 后面的操作，這就保證了基本的程序順序規則，這是開發者在書寫程序時的基本約定。 * 對于 volatile 變量，對它的寫操作，保證 happen-before 在隨后對該變量的讀取操作。 * 對于一個鎖的解鎖操作，保證 happen-before 加鎖操作。 * 對象構建完成，保證 happen-before 于 finalizer 的開始動作。 * 甚至是類似線程內部操作的完成，保證 happen-before 其他 Thread.join() 的線程等。 這些 happen-before 關系是存在著傳遞性的，如果滿足 a happen-before b 和 b happen-before c，那么 a happen-before c 也成立。 前面我一直用 happen-before，而不是簡單說前后，是因為它不僅僅是對執行時間的保證，也包括對內存讀、寫操作順序的保證。僅僅是時鐘順序上的先后，并不能保證線程交互的可見性。 ## 考點分析 今天的問題是一個常見的考察 Java 內存模型基本概念的問題，我前面給出的回答盡量選擇了和日常開發相關的規則。 JMM 是面試的熱點，可以看作是深入理解 Java 并發編程、編譯器和 JVM 內部機制的必要條件，但這同時也是個容易讓初學者無所適從的主題。對于學習 JMM，我有一些個人建議： * 明確目的，克制住技術的誘惑。除非你是編譯器或者 JVM 工程師，否則我建議不要一頭扎進各種 CPU 體系結構，糾結于不同的緩存、流水線、執行單元等。這些東西雖然很酷，但其復雜性是超乎想象的，很可能會無謂增加學習難度，也未必有實踐價值。 * 克制住對“秘籍”的誘惑。有些時候，某些編程方式看起來能起到特定效果，但分不清是實現差異導致的“表現”，還是“規范”要求的行為，就不要依賴于這種“表現”去編程，盡量遵循語言規范進行，這樣我們的應用行為才能更加可靠、可預計。 在這一講中，兼顧面試和編程實踐，我會結合例子梳理下面兩點： * 為什么需要 JMM，它試圖解決什么問題？ * JMM 是如何解決可見性等各種問題的？類似 volatile，體現在具體用例中有什么效果？ 注意，專欄中 Java 內存模型就是特指 JSR-133 中重新定義的 JMM 規范。在特定的上下文里，也許會與 JVM（Java）內存結構等混淆，并不存在絕對的對錯，但一定要清楚面試官的本意，有的面試官也會特意考察是否清楚這兩種概念的區別。 ## 知識擴展 **為什么需要 JMM，它試圖解決什么問題？** Java 是最早嘗試提供內存模型的語言，這是簡化多線程編程、保證程序可移植性的一個飛躍。早期類似 C、C++ 等語言，并不存在內存模型的概念（C++ 11 中也引入了標準內存模型），其行為依賴于處理器本身的[內存一致性模型](https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_ordering)，但不同的處理器可能差異很大，所以一段 C++ 程序在處理器 A 上運行正常，并不能保證其在處理器 B 上也是一致的。 即使如此，最初的 Java 語言規范仍然是存在著缺陷的，當時的目標是，希望 Java 程序可以充分利用現代硬件的計算能力，同時保持“書寫一次，到處執行”的能力。 但是，顯然問題的復雜度被低估了，隨著 Java 被運行在越來越多的平臺上，人們發現，過于泛泛的內存模型定義，存在很多模棱兩可之處，對 synchronized 或 volatile 等，類似指令重排序時的行為，并沒有提供清晰規范。這里說的指令重排序，既可以是[編譯器優化行為](https://en.wikipedia.org/wiki/Instruction_scheduling)，也可能是源自于現代處理器的[亂序執行](https://en.wikipedia.org/wiki/Out-of-order_execution)等。 換句話說： * 既不能保證一些多線程程序的正確性，例如最著名的就是雙檢鎖（Double-Checked Locking，DCL）的失效問題，具體可以參考我在[第 14 講](http://time.geekbang.org/column/article/8624)對單例模式的說明，雙檢鎖可能導致未完整初始化的對象被訪問，理論上這叫并發編程中的安全發布（Safe Publication）失敗。 * 也不能保證同一段程序在不同的處理器架構上表現一致，例如有的處理器支持緩存一致性，有的不支持，各自都有自己的內存排序模型。 所以，Java 迫切需要一個完善的 JMM，能夠讓普通 Java 開發者和編譯器、JVM 工程師，能夠**清晰地**達成共識。換句話說，可以相對簡單并準確地判斷出，多線程程序什么樣的執行序列是符合規范的。 所以： * 對于編譯器、JVM 開發者，關注點可能是如何使用類似[內存屏障](https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier)（Memory-Barrier）之類技術，保證執行結果符合 JMM 的推斷。 * 對于 Java 應用開發者，則可能更加關注 volatile、synchronized 等語義，如何利用類似 happen-before 的規則，寫出可靠的多線程應用，而不是利用一些“秘籍”去糊弄編譯器、JVM。 我畫了一個簡單的角色層次圖，不同工程師分工合作，其實所處的層面是有區別的。JMM 為 Java 工程師隔離了不同處理器內存排序的區別，這也是為什么我通常不建議過早深入處理器體系結構，某種意義上來說，這樣本就違背了 JMM 的初衷。  **JMM 是怎么解決可見性等問題的呢？** 在這里，我有必要簡要介紹一下典型的問題場景。 我在[第 25 講](http://time.geekbang.org/column/article/10192)里介紹了 JVM 內部的運行時數據區，但是真正程序執行，實際是要跑在具體的處理器內核上。你可以簡單理解為，把本地變量等數據從內存加載到緩存、寄存器，然后運算結束寫回主內存。你可以從下面示意圖，看這兩種模型的對應。  看上去很美好，但是當多線程共享變量時，情況就復雜了。試想，如果處理器對某個共享變量進行了修改，可能只是體現在該內核的緩存里，這是個本地狀態，而運行在其他內核上的線程，可能還是加載的舊狀態，這很可能導致一致性的問題。從理論上來說，多線程共享引入了復雜的數據依賴性，不管編譯器、處理器怎么做重排序，都必須尊重數據依賴性的要求，否則就打破了正確性！這就是 JMM 所要解決的問題。 JMM 內部的實現通常是依賴于所謂的內存屏障，通過禁止某些重排序的方式，提供內存可見性保證，也就是實現了各種 happen-before 規則。與此同時，更多復雜度在于，需要盡量確保各種編譯器、各種體系結構的處理器，都能夠提供一致的行為。 我以 volatile 為例，看看如何利用內存屏障實現 JMM 定義的可見性？ 對于一個 volatile 變量： * 對該變量的寫操作**之后**，編譯器會插入一個**寫屏障**。 * 對該變量的讀操作**之前**，編譯器會插入一個**讀屏障**。 內存屏障能夠在類似變量讀、寫操作之后，保證其他線程對 volatile 變量的修改對當前線程可見，或者本地修改對其他線程提供可見性。換句話說，線程寫入，寫屏障會通過類似強迫刷出處理器緩存的方式，讓其他線程能夠拿到最新數值。 如果你對更多內存屏障的細節感興趣，或者想了解不同體系結構的處理器模型，建議參考 JSR-133[相關文檔](http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html)，我個人認為這些都是和特定硬件相關的，內存屏障之類只是實現 JMM 規范的技術手段，并不是規范的要求。 **從應用開發者的角度，JMM 提供的可見性，體現在類似 volatile 上，具體行為是什么樣呢？** 我這里循序漸進的舉兩個例子。 首先，前幾天有同學問我一個問題，請看下面的代碼片段，希望達到的效果是，當 condition 被賦值為 false 時，線程 A 能夠從循環中退出。 ~~~ // Thread A while (condition) { } // Thread B condition = false; ~~~ 這里就需要 condition 被定義為 volatile 變量，不然其數值變化，往往并不能被線程 A 感知，進而無法退出。當然，也可以在 while 中，添加能夠直接或間接起到類似效果的代碼。 第二，我想舉 Brian Goetz 提供的一個經典用例，使用 volatile 作為守衛對象，實現某種程度上輕量級的同步，請看代碼片段： ~~~ Map configOptions; char[] configText; volatile boolean initialized = false; // Thread A configOptions = new HashMap(); configText = readConfigFile(fileName); processConfigOptions(configText, configOptions); initialized = true; // Thread B while (!initialized) sleep(); // use configOptions ~~~ JSR-133 重新定義的 JMM 模型，能夠保證線程 B 獲取的 configOptions 是更新后的數值。 也就是說 volatile 變量的可見性發生了增強，能夠起到守護其上下文的作用。線程 A 對 volatile 變量的賦值，會強制將該變量自己和當時其他變量的狀態都刷出緩存，為線程 B 提供可見性。當然，這也是以一定的性能開銷作為代價的，但畢竟帶來了更加簡單的多線程行為。 我們經常會說 volatile 比 synchronized 之類更加輕量，但輕量也僅僅是相對的，volatile 的讀、寫仍然要比普通的讀寫要開銷更大，所以如果你是在性能高度敏感的場景，除非你確定需要它的語義，不然慎用。 今天，我從 happen-before 關系開始，幫你理解了什么是 Java 內存模型。為了更方便理解，我作了簡化，從不同工程師的角色劃分等角度，闡述了問題的由來，以及 JMM 是如何通過類似內存屏障等技術實現的。最后，我以 volatile 為例，分析了可見性在多線程場景中的典型用例。 ## 一課一練 關于今天我們討論的題目你做到心中有數了嗎？今天留給你的思考題是，給定一段代碼，如何驗證所有符合 JMM 執行可能？有什么工具可以輔助嗎？