好家伙，今天咱们就来聊聊 JavaScript 内存模型中的 Happens-Before 规则，以及它在 SharedArrayBuffer 和 Atomics 场景下是如何确保并发操作的可见性和有序性的。准备好了吗？Coffee 喝起来，代码撸起来！
大家好，我是你们今天的讲师。今天咱们来聊聊JavaScript并发中的“灵魂伴侣”：Happens-Before
一、JavaScript 内存模型：一个“看上去很美”的单线程世界
在深入 Happens-Before 之前，咱们先简单回顾一下 JavaScript 的内存模型。JavaScript 引擎通常被描述为单线程的，这意味着在任何给定的时刻，只有一个 JavaScript 代码块在执行。这听起来是不是很安全？没有线程冲突，没有数据竞争，世界一片和谐？
嗯，理想很丰满，现实很骨感。虽然 JavaScript 引擎是单线程的，但 JavaScript 应用程序通常会利用异步操作（例如，setTimeout, Promise, async/await），以及 Web Workers 来实现并发。
- 异步操作： 允许程序在等待 I/O 操作完成时继续执行其他任务，避免阻塞主线程。
- Web Workers： 允许在独立的线程中运行 JavaScript 代码，从而实现真正的并行计算。
这些并发机制给 JavaScript 带来了新的挑战：如何确保不同线程或异步操作之间的内存访问是安全和一致的？这就引出了我们的主角：Happens-Before 规则。
二、Happens-Before 规则：并发的“交通规则”
Happens-Before 规则是一组约束条件，用于定义并发操作之间的顺序关系。它确保了如果一个操作 A Happens-Before 另一个操作 B，那么 A 的结果对 B 可见，并且 A 必须在 B 之前执行。
你可以把 Happens-Before 想象成并发世界里的“交通规则”。如果没有这些规则，大家随意乱窜，就会发生各种“交通事故”（数据竞争、不一致的状态等）。
Happens-Before 规则定义了一系列保证：
- 程序顺序原则： 在单个线程中，代码按照它们在程序中出现的顺序执行。这个很好理解，就是你写的代码，一行一行执行，没啥幺蛾子。
- 锁的释放与获取： 如果一个线程释放了一个锁，那么随后另一个线程获取了这个锁，则锁的释放 Happens-Before 锁的获取。
- volatile 变量的写入与读取： 如果一个线程写入了一个 volatile 变量，那么随后另一个线程读取了这个变量，则 volatile 变量的写入 Happens-Before volatile 变量的读取。（JavaScript 没有原生的 volatile 变量，但 Atomics 操作提供了类似的功能）
- 线程的启动： 一个线程的启动 Happens-Before 该线程中的任何操作。
- 线程的结束： 线程中的任何操作 Happens-Before 该线程的结束。
- 中断： 如果一个线程中断了另一个线程，中断 Happens-Before 被中断线程看到中断。
- 对象的构造： 对象的构造方法结束 Happens-Before 任何线程对这个对象进行操作。
- 传递性： 如果 A Happens-Before B，并且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。
三、SharedArrayBuffer 和 Atomics：并发的“游乐场”
SharedArrayBuffer 允许在多个 Web Workers 之间共享内存。这为 JavaScript 带来了真正的并行计算能力，但也带来了新的挑战：如何确保对共享内存的并发访问是安全的？
Atomics 对象提供了一组原子操作，用于对 SharedArrayBuffer 中的数据进行读、写、修改等操作。原子操作保证了操作的原子性，即操作要么完全执行，要么完全不执行，不会出现中间状态。
结合 SharedArrayBuffer 和 Atomics，我们可以在 JavaScript 中构建复杂的并发程序。但是，如果没有 Happens-Before 规则的约束，这些程序很容易出现各种问题。
四、Happens-Before 在 SharedArrayBuffer 和 Atomics 中的应用
咱们来看几个具体的例子，展示 Happens-Before 规则在 SharedArrayBuffer 和 Atomics 中的应用。
示例 1：简单的生产者-消费者模型
假设我们有一个 SharedArrayBuffer，用于存储生产者生产的数据，以及消费者消费的数据。我们需要使用 Atomics 来同步生产者和消费者。
// shared.js (在多个 worker 中共享)
const buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 2);
const arr = new Int32Array(buffer);
// arr[0]: 数据缓冲区
// arr[1]: 信号量 (0: 空, 1: 有数据)
// 生产者
function producer(data) {
while (Atomics.compareExchange(arr, 1, 0, 1) !== 0) {
// 等待消费者消费
Atomics.wait(arr, 1, 1); // 等待 arr[1] 变为 1
}
arr[0] = data; // 写入数据
Atomics.store(arr, 1, 1); // 设置信号量为 1 (有数据)
Atomics.notify(arr, 1, 1); // 通知消费者
}
// 消费者
function consumer() {
while (Atomics.compareExchange(arr, 1, 1, 0) !== 1) {
// 等待生产者生产
Atomics.wait(arr, 1, 0); // 等待 arr[1] 变为 0
}
const data = arr[0]; // 读取数据
Atomics.store(arr, 1, 0); // 设置信号量为 0 (空)
Atomics.notify(arr, 1, 1); // 通知生产者
return data;
}
// 在两个不同的 worker 中运行
// Worker 1 (生产者)
// producer(42);
// Worker 2 (消费者)
// const data = consumer();
// console.log("Received data:", data); // 输出 "Received data: 42"
在这个例子中，Atomics.compareExchange 和 Atomics.store 操作保证了对信号量的原子更新。Atomics.wait 和 Atomics.notify 操作用于线程间的同步。
重点来了：
- 生产者线程的
Atomics.store(arr, 1, 1)（设置信号量） Happens-Before 消费者线程的Atomics.wait(arr, 1, 0)（等待信号量）。 - 这意味着生产者线程写入的数据（
arr[0] = data）对消费者线程是可见的。
如果没有 Happens-Before 规则的保证，消费者线程可能会在生产者线程写入数据之前读取 arr[0]，导致读取到错误的数据。
示例 2：使用 Atomics.add 实现计数器
假设我们需要在多个 Web Workers 中共享一个计数器，并使用 Atomics.add 来原子地增加计数器的值。
// shared.js
const buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const arr = new Int32Array(buffer);
// 初始化计数器
Atomics.store(arr, 0, 0);
// 增加计数器
function incrementCounter() {
Atomics.add(arr, 0, 1);
}
// 获取计数器的值
function getCounterValue() {
return Atomics.load(arr, 0);
}
// 在多个 worker 中运行
// Worker 1
// incrementCounter();
// Worker 2
// incrementCounter();
// 主线程
// console.log("Counter value:", getCounterValue()); // 输出 "Counter value: 2"
在这个例子中，Atomics.add 操作保证了计数器的原子更新。
重点来了：
- 每个
Atomics.add操作 Happens-Before 后续的Atomics.load操作。 - 这意味着
Atomics.load操作总是能够读取到最新的计数器值。
如果没有 Happens-Before 规则的保证，Atomics.load 操作可能会读取到过期的计数器值，导致计数不准确。
五、Happens-Before 的“幕后英雄”：内存屏障
你可能想问：Happens-Before 规则是如何实现的呢？答案是：内存屏障（Memory Barrier）。
内存屏障是一种 CPU 指令，用于强制 CPU 按照特定的顺序执行内存操作。它可以防止 CPU 对内存操作进行重排序，从而保证了并发操作的可见性和有序性。
不同的 CPU 架构有不同的内存屏障指令。JavaScript 引擎会根据不同的 CPU 架构，在适当的位置插入内存屏障指令，以确保 Happens-Before 规则得到满足。
你可以把内存屏障想象成“交通警察”，它会指挥 CPU 按照规定的路线行驶，防止“交通事故”的发生。
六、总结：Happens-Before 是并发编程的基石
Happens-Before 规则是 JavaScript 并发编程的基石。它确保了在并发环境中，操作的可见性和有序性，避免了数据竞争和不一致的状态。
- 可见性： 如果 A Happens-Before B，那么 A 的结果对 B 可见。
- 有序性： 如果 A Happens-Before B，那么 A 必须在 B 之前执行。
在 SharedArrayBuffer 和 Atomics 场景下，Happens-Before 规则尤为重要。它保证了对共享内存的并发访问是安全的，从而允许我们在 JavaScript 中构建复杂的并发程序。
希望今天的讲座能够帮助你更好地理解 JavaScript 内存模型中的 Happens-Before 规则。记住，并发编程是一门艺术，需要我们不断学习和实践。加油！
补充说明：
| Happens-Before 关系 | 描述