Concurrency系列(三): 朝Happens-Before邁進
我們先前談過了Sequenced-Before，現在我們來談什麼是Happens-Before
Java對Happens-Before的定義
Java的官方文件定義了什麼是Happens-Before，先不管那些volatile, synchronized等用詞，我只看最簡單的一句
If one action happens-before another, then the first is visible to and ordered before the second.
解釋的很簡單，當行為A happens-before B時，代表A的效果可見，而且發生於B之前。
通俗的解釋
讓我們用比較通俗一點的方式解釋happens-before的概念，這是由Jeff Preshing所提供的解釋。
Let A and B represent operations performed by a multithreaded process. If A happens-before B, then the memory effects of A effectively become visible to the thread performing B before B is performed.
可以看到和Java的定義是差不多的，都在說明前一個操作的效果在後一個操作執行之前必須要可見。舉個簡單的例子就是
// example provided by Jeff Preshing
int A, B;
void foo()
{
// This store to A ...
A = 5;
// ... effectively becomes visible before the following loads. Duh!
B = A * A;
}
在上述的簡單的程式碼中，第一行的效果必須要讓第二行的效果可見，B才會正確的得到25，你說這不是很理所當然嗎？
寫在前面一行的程式不是本來就應該先執行，之後才執行下一行嗎？ 不，並不見得。 這裡有個關鍵是，Happens-before強調的是visible，而不是實際上執行的順序。
實際上程式在執行時，只需要"看起來有這樣的效果" 就好，編譯器有很大的空間可以對程式執行的順序做優化。
舉例來說，像是下面的程式，
int A = 0;
int B = 0;
void foo()
{
A = B + 1; // (1)
B = 1; // (2)
}
int main()
{
foo();
}
如果你只下gcc file.c，產生的組語節錄如下
movl B(%rip), %eax
addl $1, %eax
movl %eax, A(%rip)
movl $1, B(%rip)
可以看到先把B放到eax，之後eax+1放到A，然後才執行B=1。 但如果下gcc -O2 file.c
movl B(%rip), %eax
movl $1, B(%rip)
addl $1, %eax
movl %eax, A(%rip)
可以看到變成先把B放到eax，然後把B=1，最後再執行eax+1，然後才把結果存到A。 B比A更早先完成。 但這有違反happens-before的關係嗎？答案是沒有，因為happens-before只關注是否看起來有這樣的效果，從外界看起來，就彷彿是先執行第一行，完成之後，再執行第二行。
因此我們學到了一個重要的關鍵，A happens-before B並不代表實際上A happening before B。關鍵在於只要A的效果在B執行之前，對於B可見就可以了，實際上怎麼執行的並不需要深究。 現在我們來看C++對happens-before的定義，其實也是相同的概念
C++對Happens-Before的定義
再來看C++的定義，
Regardless of threads, evaluation A happens-before evaluation B if any of the following is true: 1) A is sequenced-before B 2) A inter-thread happens before B
在C++的解釋中，Happens-before包含兩種情況，一種是同一個thread內的happens-before關係，另一個是不同thread間的happens-before關係。
我們平常程式一行一行寫下來，我們本來就預期上一行的程式效果會對下一行的程式可見。我們先前已經清楚的解釋什麼是Sequenced-before，現在你可以發現，Sequenced-before其實就是同一個thread內的happens-before。
在跨thread的情況下，如果沒有保證happens-before的關係，程式常常會出現意料之外的結果。舉例來說 int counter = 0; 現在有兩個thread同時執行，thread A執行counter++，thread B把counter的值印出來。
因為這兩個thread沒有具備happens-before的關係，沒有保證counter++後的效果對於印出counter是可見的，導致印出來的結果可能是1，也可能是0。
因此，語言必須提供適當的手段，讓程式設計師能夠建立跨thread間的happens-before的關係，如此一來才能確保程式執行的結果正確。這也就是剛剛C++ happens-before定義裡的第二點，A inter-thread happens before B。
Inter-thread happens before
Java定義清楚用何種語法能夠建立happens-before的關係，在此先不贅述。 C++定義了五種情況都能夠建立跨thread間的happens-before，如下
- A synchronizes-with B (A和B有適當的同步)
- A is dependency-ordered before B (A和B有相依的順序關係)
- A synchronizes-with some evaluation X, and X is sequenced-before B
- A is sequenced-before some evaluation X, and X inter-thread happens-before B
- A inter-thread happens-before some evaluation X, and X inter-thread happens-before B
其中第3, 4, 5點都是遞迴定義，因此我們只關注前兩點，不過再解釋下去會讓篇幅過長，影響閱讀和理解的順暢，目前只要先有個概念就好，我們後續再解釋什麼是Synchoronizes-with和dependency-ordered before。