学霸题：happens-before
为什么要有 happens-before
happe-before 是 JMM 最核心的概念，对应 Java 程序员来说，理解 happens-before 是理解 JMM 的关键。
从 JMM 设计者的角度来看，可见性和有序性其实是互相矛盾的两点：
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一方面，对于程序员来说，我们希望内存模型易于理解、易于编程，为此 JMM 的设计者要为程序员提供足够强的内存可见性保证，专业术语称之为 “强内存模型”。
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而另一方面，编译器和处理器则希望内存模型对它们的束缚越少越好，这样它们就可以做尽可能多的优化（比如重排序）来提高性能，因此 JMM 的设计者对编译器和处理器的限制要尽可能地放松，专业术语称之为 “弱内存模型”。
由于这两个因素互相矛盾，所以JSR-133专家组在设计JMM时的核心目标就是为了找到一个好的平衡点：一方面，要为程序员提供足够强的内存可见性保证；另一方面，对编译器和处理器的限制要尽可能地放松，于是 happens-before 原则就横空出世了。
happens-before 是什么
happens-before 直译为 “先行发生”，具体定义如下：
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）JMM 对程序员强内存模型的承诺。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 JMM 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！
我们举个例子：
// 以下操作在线程 A 中执行
i = 1; // a
// 以下操作在线程 B 中执行
j = i; // b
// 以下操作在线程 C 中执行
i = 2; // c
假设线程 A 中的操作 a Happens-before 线程 B 的操作 b，那我们就可以确定操作 b 执行后，变量 j 的值一定是等于 1。得出这个结论的依据有两个：一是根据 Happens-before 原则，a 操作的结果对 b 可见，即 “i=1” 的结果可以被观察到；二是线程 C 还没运行，线程 A 操作结束之后没有其他线程会修改变量 i 的值。
现在再来考虑线程 C，我们依然保持 a Happens-before b ，而 c 出现在 a 和 b 的操作之间，但是 c 与 b 没有 Happens-before 关系，也就是说 b 并不一定能看到 c 的操作结果。那么 b 操作的结果也就是 j 的值就不确定了，可能是 1 也可能是 2，那这段代码就是线程不安全的。
上面的2）是 JMM 对编译器和处理器重排序的约束原则。就像上面说的，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，程序员关心的是执行结果不能被改变。
我们举个例子：
int a = 1; // A
int b = 2; // B
int c = a + b; // C
根据 Happens-before 规则（下文会讲），上述代码存在 3 个 Happens-before 关系：
1）A happens-before B
2）B happens-before C
3）A happens-before C
可以看出来，在 3 个 happens-before 关系中，第 2 个和第 3 个是必需的，但第 1 个是不必要的。也就是说，虽然 A happens-before B，但是 A 和 B 之间的重排序完全不会改变程序的执行结果，所以 JMM 是允许编译器和处理器执行这种重排序的。
这里说一下：JMM 把 happens-before 要求禁止的重排序分成了下面两类：
- 会改变程序执行结果的重排序。
- 不会改变程序执行结果的重排序。
JMM 对着两种不同性质的重排序，采取了不同的策略，如下：
- 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM 要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。
- 对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM 对编译器和处理器不作要求（JMM 允许这种重排序）。
JMM 的设计示意图：
简单说一下 happens-before 和 as-if-serial语义：
- as-if-serial 语义保证单线程内程序的执行结果不会被改变，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 语义给编程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 这么做都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能提高程序执行的并行度。
happens-before 规则
《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》定义了如下 Happens-before 规则， 这些就是 JMM 中“天然的” Happens-before 关系，这些 Happens-before 关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来，则它们就没有顺序性保障，JVM 可以对它们随意地进行重排序：
1）程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生（Happens-before）于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
2）管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。这里必须强调的是 “同一个锁”，而 “后面” 是指时间上的先后。
3）volatile 变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的 “后面” 同样是指时间上的先后。
4）线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每一个动作。
5）线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过 Thread 对象的 join() 方法是否结束、Thread 对象的 isAlive() 的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
6）线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 Thread 对象的 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。
7）对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize() 方法的开始。
8）传递性（Transitivity）：如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那就可以得出操作 A 先行发生于操作 C 的结论。
巨人的肩膀：
《Java 并发编程的艺术》
