前言
熟悉 Java 并发编程的都知道，JMM(Java 内存模型) 中的 happen-before(简称 hb)规则，该规则定义了 Java 多线程操作的有序性和可见性，防止了编译器重排序对程序结果的影响。
Java语言中有一个“先行发生”（happen—before）的规则，它是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果操作A先行发生于操作B，其意思就是说，在发生操作B之前，操作A产生的影响都能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等，它与时间上的先后发生基本没有太大关系。这个原则特别重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。
按照官方的说法：
当一个变量被多个线程读取并且至少被一个线程写入时，如果读操作和写操作没有 HB 关系，则会产生数据竞争问题。
要想保证操作 B 的线程看到操作 A 的结果（无论 A 和 B 是否在一个线程），那么在 A 和 B 之间必须满足 HB 原则，如果没有，将有可能导致重排序。
当缺少 HB 关系时，就可能出现重排序问题。
HB 有哪些规则？
这个大家都非常熟悉了应该，大部分书籍和文章都会介绍，这里稍微回顾一下：
其中，传递规则我加粗了，这个规则至关重要。如何熟练的使用传递规则是实现同步的关键。
然后，再换个角度解释 HB：当一个操作 A HB 操作 B，那么，操作 A 对共享变量的操作结果对操作 B 都是可见的。
同时，如果 操作 B HB 操作 C，那么，操作 A 对共享变量的操作结果对操作 B 都是可见的。
而实现可见性的原理则是 cache protocol 和 memory barrier。通过缓存一致性协议和内存屏障实现可见性。
如何实现同步？
在 Doug Lea 著作 《Java Concurrency in Practice》中，有下面的描述：
书中提到：通过组合 hb 的一些规则，可以实现对某个未被锁保护变量的可见性。
但由于这个技术对语句的顺序很敏感，因此容易出错。
楼主接下来，将演示如何通过 volatile 规则和程序次序规则实现对一个变量同步。
来一个熟悉的例子：
class ThreadPrintDemo {
static int num = 0;
static volatile boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (; 100 > num; ) {
if (!flag && (num == 0 || ++num % 2 == 0)) {
System.out.println(num);
flag = true;
}
}
}
);
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (; 100 > num; ) {
if (flag && (++num % 2 != 0)) {
System.out.println(num);
flag = false;
}
}
}
);
t1.start();
t2.start();
}
}
这段代码的作用是两个线程间隔打印出 0 - 100 的数字。
熟悉并发编程的同学肯定要说了，这个 num 变量没有使用 volatile，会有可见性问题，即：t1 线程更新了 num，t2 线程无法感知。
哈哈，楼主刚开始也是这么认为的，但最近通过研究 HB 规则，我发现，去掉 num 的 volatile 修饰也是可以的。
我们分析一下，楼主画了一个图：
我们分析这个图：
注意：HB 规则保证上一个操作的结果对下一个操作都是可见的。
所以，上面的小程序中，线程 A 对 num 的修改，线程 B 是完全感知的 —— 即使 num 没有使用 volatile 修饰。
这样，我们就借助 HB 原则实现了对一个变量的同步操作，也就是在多线程环境中，保证了并发修改共享变量的安全性。并且没有对这个变量使用 Java 的原语：volatile 和 synchronized 和 CAS（假设算的话）。
这可能看起来不安全（实际上安全），也好像不太容易理解。因为这一切都是 HB 底层的 cache protocol 和 memory barrier 实现的。
其他规则实现同步
利用线程终结规则实现：
static int a = 1;
public static void main(String[] args) {
Thread tb = new Thread(() -> {
a = 2;
});
Thread ta = new Thread(() -> {
try {
tb.join();
} catch (InterruptedException e) {
//NO
}
System.out.println(a);
});
ta.start();
tb.start();
}
利用线程 start 规则实现：
static int a = 1;
public static void main(String[] args) {
Thread tb = new Thread(() -> {
System.out.println(a);
});
Thread ta = new Thread(() -> {
tb.start();
a = 2;
});
ta.start();
}
这两个操作，也可以保证变量 a 的可见性。
确实有点颠覆之前的观念。之前的观念中，如果一个变量没有被 volatile 修饰或 final 修饰，那么他在多线程下的读写肯定是不安全的 —— 因为会有缓存，导致读取到的不是最新的。
然而，通过借助 HB，我们可以实现。
总结
虽然本文标题是通过 happen-before 实现对共享变量的同步操作，但主要目的还是更深刻的理解 happen-before，理解他的 happen-before 概念其实就是保证多线程环境中，上一个操作对下一个操作的有序性和操作结果的可见性。
同时，通过灵活的使用传递性规则，再对规则进行组合，就可以将两个线程进行同步 —— 实现指定的共享变量不使用原语也可以保证可见性。虽然这好像不是很易读，但也是一种尝试。
关于如何组合使用规则实现同步，Doug Lea 在 JUC 中给出了实践。
例如老版本的 FutureTask 的内部类 Sync（已消失），通过 tryReleaseShared 方法修改 volatile 变量，tryAcquireShared 读取 volatile 变量，这是利用了 volatile 规则；
通过在 tryReleaseShared 之前设置非 volatile 的 result 变量，然后在 tryAcquireShared 之后读取 result 变量，这是利用了程序次序规则。
从而保证 result 变量的可见性。和我们的第一个例子类似：利用程序次序规则和 volatile 规则实现普通变量可见性。
而 Doug Lea 自己也说了，这个“借助”技术非常容易出错，要谨慎使用。但在某些情况下，这种“借助”是非常合理的。
实际上，BlockingQueue 也是“借助”了 happen-before 的规则。还记得 unlock 规则吗？当 unlock 发生后，内部元素一定是可见的。
而类库中还有其他的操作也“借助”了 happen-before 原则：并发容器，CountDownLatch，Semaphore，Future，Executor，CyclicBarrier，Exchanger 等。
总而言之，言而总之：
happen-before 原则是 JMM 的核心所在，只有满足了 hb 原则才能保证有序性和可见性，否则编译器将会对代码重排序。hb 甚至将 lock 和 volatile 也定义了规则。
通过适当的对 hb 规则的组合，可以实现对普通共享变量的正确使用。
好了，以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对亿速云的支持。
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