Happens-Before规则与DCL失效原因分析

先行发生是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，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作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。

Happens-Before规则（先行发生原则）

1. 程序次序规则（Program Order Rule）：

在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。如下 value = 4 语句 happens-before flag = true 语句;

public class HappensBefore {

    static int value = 0;
    static volatile boolean flag = false;

    public  void write(){
        value = 4;
        flag = true;
    }

    public  void read(){
        if(flag){
            System.out.println(value);
        }
    }
}

2 .管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：

管程—一种通用的同步语句，在Java中主要指的就是Synchronized。而管程锁定规则指的就是对一个锁的unlock happens-before 后续对这个锁的lock操作。如下，若线程A、B同时访问read方法，当线程A执行完之后，线程B能够获取到线程A对变量的操作。

public class HappensBefore {

    int value = 10;

    public void read(){
        synchronized (this){ //此处加锁
            if(value < 100){
                value ++;
            }
        }//此处自动解锁
    }
}

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”是指时间上的先后顺序。

4.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，那么操作A先行发生于操作C。

第3点以及第4点都采用第一段代码做示例，首先从第一段代码我们可以知道value = 4 happens-before flag = true;然后可以得知对volatile 型变量flag 的写操作 happens-before 对其的读操作。因此根据传递性规则可以得知 value = 4 happens-before flag = ture的读操作。因此当线程B读到了flag=true时，那么线程A对value所做的更改对B线程也是可见的。这得益于jdk1.5之后对volatile关键字的语义增强（可见性，与禁止指令重排序）。

5.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。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程B前的操作。换句话说就是，如果线程A调用线程B的Start()方法（在线程A中启动线程B）,那么该start()操作happens-before于线程B中的任意操作。

public class HappensBefore{

    static int value = 10;

    public static void main(String[] args) {

        Thread newThread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //线程启动前,所有对共享变量的修改，此处都可见，因此这里的value=66
                System.out.println(value);
            }
        });
        value = 66;
        newThread.start();
    }
}

6. 线程 join() 规则：

指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线B的Join()方法实现），当子线程B完成后（主线程A中Join方法返回），主线程能够看到子线程的操作。也就是如果在线程A中，调用线程B的Join()并成功返回，那么线程B中的任意操作Happens-Before于该Join操作的返回。如下：

public class HappensBefore{

    static int value = 10;

    public static void main(String[] args) {

        Thread newThread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //此处对共享变量进行修改
                value = 666;
            }
        });

        newThread.start();
        try {
            newThread.join();
            System.out.println(value);//子线程对共享变量的修改在子线程调用Join之后皆可见，此处value=666
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

DCL(双锁检查机制)实现单例模式失效分析

先看一段双锁检查实现单例模式的代码：

//Double-check-lock 单例模式失效原因详解
public class Singleton {
    
    static Singleton instance;// 使用volatile可以禁止指令的重排序
    
    static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

假设此时同时有线程A、以及线程B同时调用getInstance()方法来获取Singleton的实例。这段代码看起来不存在什么问题，但是并不完美，缺陷就在进行 instance = new Singleton()操作的时候。一般情况下我们所理解的new操作会进行如下的操作：

1. 分配一块内存M
2. 在内存M上初始化Singleton对象
3. 将M的地址值赋给instance

然后经过编译器优化（指令重排序）的操作如下：

1. 分配一块内存M
2. 将M的地址值赋给instance
3. 在内存M上初始化Singleton对象

具体示意图如下： DCL.png

假设当线程A调用getInstance()方法时 instance == null 此时就会执行new Singleton()操作，此时的指令是已经经过编译器优化的了，假设当执行到
Instance = M 即将M的地址值赋给 instance的时候，线程B获得了执行权，当线程B再去调用getInstance()方法时instance != null 此时线程B就有可能会获得未经过初始化的Singleton对象，从而导致NullPointException异常的发生。关于这种情况的解决办法，可以使用Volatile关键字来进行规避，采用Volatile关键字之后，计算机对Instance对象进行操作时，会加入内存屏障从而禁止编译器对相应的指令进行重排序。