Java内存模型：volatile变量和happens-before关系

Question

我想澄清一下volatile变量如何与happens-before关系配合工作。让我们假设有以下变量：

public static int i, iDst, vDst;
public static volatile int v;

以及线程A：

i = 1;
v = 2;

和线程B：

vDst = v;
iDst = i;

以下语句是否符合Java内存模型（JMM）？如果不是，正确的解释应该是什么？

• i = 1总是在v = 2之前发生(happens-before)。
• 只有当v = 2实际上发生在时间上之前，v = 2才会在JMM中发生在vDst = v之前(happens-before)。
• 如果v = 2实际上发生在时间上之前, 那么i = 1就会在JMM中发生在iDst = i之前(happens-before)，且iDst将可预测地被赋值为1。
• 否则，i = 1和iDst = i之间的顺序是未定义的，iDst的结果值也是未定义的。

逻辑错误:

JMM中没有“墙钟时间”的概念，我们应该依靠同步顺序作为v = 2和vDst = v的排序指南。详见所选答案。

- Alexey

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@manouti的回答已经很详细了，但如果您需要更多例子，这个问题可以为您提供：https://dev59.com/KGQn5IYBdhLWcg3wGD1s - uraimo

可能是重复问题：https://dev59.com/_Ggt5IYBdhLWcg3w3xEw - assylias

Answer 1

i = 1总是发生在v = 2之前

正确。根据JLS第17.4.5节，

如果x和y是同一线程的动作，并且x在程序顺序中出现在y之前，则hb(x,y)。

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• 仅当它实际上按时间发生时，v = 2在JMM中才会发生在vDst = v之前
• 如果v = 2实际上在时间上先于vDst = v发生，则在JMM中i = 1 happens-before iDst = i（并且将可预测地分配1给iDst）

错误。 happens-before顺序不保证物理时间上的事情发生在彼此之前。来自JLS的相同部分，

需要注意的是，两个动作之间存在happens-before关系并不一定意味着它们必须按那个顺序在实现中进行。如果重新排序产生与合法执行一致的结果，则不是非法的。

然而，如果v = 2在同步顺序上先于vDst = v出现，即对执行的同步动作进行的全序，这通常被误认为是实时顺序，确保v = 2 happens-before vDst = v和i = 1 happens-before iDst = i。

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• 如果在同步顺序中vDst = v出现在v = 2之前，那么i = 1和iDst = i之间的顺序是未定义的，iDst的结果也是未定义的。

这种情况不考虑实际时间，只要vDst = v出现在v = 2之前即可。

- user2357112

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@user2357112，用“vDst = v是同步顺序中v = 2的后续操作”替换“v = 2在同步顺序中发生在vDst = v之前”，这样会更准确吗？规范没有不同类型的“happens-before”（例如“通用”的happens-before和同步顺序中的happens-before），因此可能会进一步混淆。否则，我认为您的答案给出了最精确的解释，我的答案中的不准确之处在于此。 - Alexey

@Alexey：任何一种措辞都是准确的。 - user2357112

Answer 2

根据关于 happens-before 顺序的 此章节，它们全部都是正确的：

1. i = 1 总是在 v = 2 之前发生，因为：

如果 x 和 y 是同一线程的操作，并且 x 在程序顺序中排在 y 之前，则 hb(x, y)。

2. v = 2 只有在实际时间上先于 vDst = v 的情况下，在 JMM 中才会 happens-before，因为 v 是 volatile 的，而且

对 volatile 字段（§8.3.1.4）的写入在每次后续读取该字段之前发生。

3. 只有当实际时间上 v = 2 先于 vDst = v 发生时，i = 1 才 happens-before iDst = i 在 JMM 中（并且 iDst 将可预测地被赋值为 1）。因为在这种情况下：
   • i = 1 happens-before v = 2
   • v = 2 happens-before vDst = v
   • vDst = v happens-before iDst = i

如果 hb(x, y) 和 hb(y, z)，则 hb(x, z)。

编辑：

正如@user2357112所指出的，似乎语句2和3并不完全正确。正如JLS同一节中提到的那样，happens-before关系并不一定会在具有此关系的操作之间强制执行时间顺序:

应当注意，在两个动作之间存在happens-before关系并不一定意味着它们必须按照实现中的顺序进行。如果重新排序产生与合法执行一致的结果，则不违法。

因此，根据JLS中提到的规则，我们不应该对语句的实际执行时间做出假设。

- M A

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"subsequent"的定义是基于同步顺序而不是物理时间，因此我认为2和3并不完全正确。以真实物理时间作为保证是非常困难的。 - user2357112

“Happens-before”是一个专门定义的术语，与事物在物理上发生在其他事物之前没有太大关系。此外，“随机文档”是指语言规范。 - user2357112

@Blindy http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html 显示，将volatile存储作为第二个操作无法与普通存储进行重新排序。但是，当涉及到Java和volatile时，你是错误的。 - John Vint

@user2357112，那么"A write to a volatile field (§8.3.1.4) happens-before every subsequent read of that field."是什么意思？如何将其从规范语言翻译成通俗易懂的英语？ - Alexey

@Alexey：如果可以找到从操作A到操作B的先于关系链，那么B必须看到A的影响，而A不能看到B的影响。这并没有完全捕捉到整个概念，但在限制条件下这是我能做到的最好的。 - user2357112

@Alexey，规范要求volatile读取看到已经“推送”的任何volatile写入 - 但它不要求volatile写入立即被“推送”。而且这不能归因于硬件限制（光速等）。因此，如果写入需要N纳秒才能被“推送” - 那么就会有一个N纳秒的窗口，在这个窗口中，写入已经被“执行”，但读取可能会看到旧值。（这有点简单化，但有助于理解为什么你不能真正按照墙上时钟时间来推理）。另请参见：https://dev59.com/_Ggt5IYBdhLWcg3w3xEw - assylias

Answer 3

所有同步操作（volatile读写、锁定/解锁等）都形成了一个总序。[1] 这是一个非常强有力的声明，可以使分析更加容易。对于您的volatile v，在这个总序中，要么先读后写，要么先写后读。当然，顺序取决于实际执行。

从总序中，我们可以建立“happens-before”部分序。[2] 如果变量（volatile或非volatile）上的所有读写都在部分序链上，那么就很容易进行分析——读取看到了直接前面的写入。这就是JMM的主要点——在读/写上建立顺序，以便像顺序执行一样推理。

但是，如果volatile读在volatile写之前呢？我们需要另一个关键约束——读取不能看到写入。[3]

因此，我们可以得出如下结论，

1. 读取 v 看到的是0（初始值）或2（volatile写入）
2. 如果它看到2，则必须在写入之后进行读取；在这种情况下，我们有“happens-before”链。

最后一点——读取 i 必须看到 i 的写入之一；在这个例子中是0或1。它永远不会看到来自任何写入的奇怪值。

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引用java8规范：

[1] http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html#jls-17.4.4 [2] http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html#jls-17.4.5 [3] http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html#jls-17.4.7

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对总序的随机想法：

由于这个总序，我们可以说一个同步操作发生在另一个之前，就像在时间上一样。这个时间可能不对应于壁钟，但它对我们的理解不是一个坏的心理模型。（实际上，Java中的一个动作对应于一场硬件活动风暴，不可能为其定义一个时间点）。

甚至物理时间也不是绝对的。记住光在1纳秒内走30厘米；在今天的CPU上，时间顺序肯定是相对的。总顺序实际上要求从一个操作到下一个操作存在因果关系。这是一个非常强的要求，你可以打赌JVM会努力优化它。

- ZhongYu