深入理解 Happens-Before 原則
今天就讓我們來深入聊聊關于 happens-before 的那些事兒！
什么是 happens-before？
happens-before 指的是 Java 內存模型中兩項操作的順序關系。例如說操作 A 先于操作 B，也就是說操作 A 發生在操作 B 之前，操作 A 產生的影響能夠被操作 B 觀察到。這里的「影響」包括：內存中共享變量的值、發送了消息、調用了方法等。
舉個很簡單的例子：下面代碼里 i=1 在線程 A 中執行，而 j=i 在線程 B 中執行。因為 i=1 操作先于 j=i 執行，那么 i=1 操作的結果就應該能夠被線程 B 觀察到。
// 在線程 A 中執行
i = 1;
// 在線程 B 中執行
j = i;
Java 內存模型下一共有 8 條 happens-before 規則，如果線程間的操作無法從如下幾個規則推導出來，那么它們的操作就沒有順序性保障，虛擬機或者操作系統就能隨意地進行重排序，從而可能會發生并發安全問題。
- 程序次序規則（Program Order Rule）：在一個線程內，按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發生于書寫在后面的操作。準確地說，應該是控制流順序而不是程序代碼順序，因為要考慮分支、循環等結構。
- 管程鎖定規則（Monitor Lock Rule）：一個 unlock 操作先行發生于后面對同一個鎖的 lock 操作。這里必須強調的是同一個鎖，而 “后面” 是指時間上的先后順序。
- volatile 變量規則（Volatile Variable Rule）：對一個 volatile 變量的寫操作先行發生于后面對這個變量的讀操作，這里的 “后面” 同樣是指時間上的先后順序。
- 線程啟動規則（Thread Start Rule）：Thread 對象的 start () 方法先行發生于此線程的每一個動作。
- 線程終止規則（Thread Termination Rule）：線程中的所有操作都先行發生于對此線程的終止檢測，我們可以通過 Thread.join () 方法結束、Thread.isAlive () 的返回值等手段檢測到線程已經終止執行。
- 線程中斷規則（Thread Interruption Rule）：對線程 interrupt () 方法的調用先行發生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生，可以通過 Thread.interrupted () 方法檢測到是否有中斷發生。
- 對象終結規則（Finalizer Rule）：一個對象的初始化完成（構造函數執行結束）先行發生于它的 finalize () 方法的開始。
- 傳遞性（Transitivity）：如果操作 A 先行發生于操作 B，操作 B 先行發生于操作 C，那就可以得出操作 A 先行發生于操作 C 的結論。
極簡實踐案例
Java 語言無須任何同步手段保障，就能成立的先行發生規則，就只有上面這些了。下面舉個例子來說明如何用這些規則去判斷操作是否具備順序性，是否是線程安全的。
private int value = 0;
public void setValue(int value){
this.value = value;
}
public int getValue(){
return value;
}
上面的代碼是一組很普通的 getter/setter 方法。假設線程 A 和 B，線程 A 先（時間上的先后）調用了 setValue(1)，之后線程 B 調用了同一個對象的 getValue()，那么線程 B 收到的返回值是什么？
我們依次分析一下先行發生原則中的各項規則：
- 首先，由于兩個方法分別由線程 A 和線程 B 調用，不在一個線程中，所以程序次序規則在這里不適用。
- 接著，由于沒有同步塊，自然就不會發生 lock 和 unlock 操作，所以管程鎖定規則不適用。
- 繼續，由于 value 變量沒有被 volatile 關鍵字修飾，所以 volatile 變量規則不適用。
- 繼續，后面的線程啟動、終止、中斷規則和對象終結規則也和這里完全沒有關系。
- 最后，因為沒有一個適用的先行發生規則，所以最后一條傳遞性也無從談起。
因此，即使我們知道線程 A 在操作時間上先于線程 B，但我們還是無法確定線程 B getValue() 方法的返回結果。換句話說，這里面的操作不是線程安全的。
那怎么修復這個問題呢？
我們至少有兩種比較簡單的方案可以選擇：
- 第一種，要么把getter/setter? 方法都定義為synchronized 方法，這樣就可以套用管程鎖定規則。
- 第二種，要么把value? 定義為volatile? 變量，由于setter? 方法對value? 的修改不依賴value? 的原值，滿足volatile? 關鍵字使用場景，這樣就可以套用volatile 變量規則來實現先行發生關系。
通過上面這個案例，我們知道：一個操作時間上線發生，不代表這個操作會「先行發生」。 那如果一個操作「先行發生」，是否就能推導出這個操作必定是時間上先發生呢？其實并不能，因為有可能發生指令重排序。
// 如下操作在同一個線程中執行
int j = 1;
int j = 2;
上述代碼在同一線程中執行，根據程序執行次序規則，int i = 1; 的操作先行發生于 int j = 2;，但 int j =2 的代碼有可能被處理器先執行，因為它們不相互依賴，不影響先行發生原則的正確性。
上述這兩個案例綜合起來證明了一個結論：時間先后順序與先行發生原則之間基本沒有太大的關系，所以我們衡量并發安全問題的時候不要受到時間順序的干擾，一切必須以先行發生原則為準。
總結
happens-before 原則一共有 8 條原則，它是對 Java 內存模型規則的簡化，可以幫助編程人員提高編程效率。
時間先后順序與先行發生原則之間基本沒有太大的關系，我們衡量并發安全問題的時候不要受到時間順序的干擾，一切必須以先行發生原則為準。
深入理解 happens-before 原則
