happens-before和as-if-serial语义

happens-before和as-if-serial语义

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happens-before

主要介绍一下happens-before和as-if-serial语义

happens-before定义

happens-before的概念最初由Leslie Lamport在其一篇影响深远的论文(《Time,Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》)中提出,有兴趣的可以google一下。JSR-133使用happens-before的概念来指定两个操作之间的执行顺序。由于这两个操作可以在一个线程之内,也可以是在不同线程之间。

因此,JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证(如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系,尽管a操作和b操作在不同的线程中执行,但JMM向程序员保证a操作将对b操作可见)。

具体的定义为:

1)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。

2)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(也就是说,JMM允许这种重排序)。

上面的(1)是JMM对程序员的承诺。从程序员的角度来说,可以这样理解happens-before关系:如果A happens-before B,那么Java内存模型将向程序员保证——A操作的结果将对B可见,且A的执行顺序排在B之前。注意,这只是Java内存模型向程序员做出的保证!

上面的(2)是JMM对编译器和处理器重排序的约束原则。正如前面所言,JMM其实是在遵循一个基本原则:只要不改变程序的执行结果(指的是单线程程序和正确同步的多线程程序),编译器和处理器怎么优化都行。JMM这么做的原因是:程序员对于这两个操作是否真的被重排序并不关心,程序员关心的是程序执行时的语义不能被改变(即执行结果不能被改变)。

因此,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。

具体规则

具体的一共有八项规则:

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。

程序中断规则:对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。

对象finalize规则:一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行于发生它的finalize()方法的开始。

as-if-serial

as-if-serial语义的意思是:不管怎么重排序(编译器和处理器为了提高并行度),(单线程)程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。

为了遵守as-if-serial语义,编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序,因为这种重排序会改变执行结果。但是,如果操作之间不存在数据依赖关系,这些操作就可能被 编译器和处理器重排序。