Java Memory Model

Java Memory Model определяет правила взаимодействия потоков с памятью, устанавливая принципы видимости, порядка и атомарности операций. Он описывает, как изменения в памяти, сделанные одним потоком, становятся видимыми другим потокам.

Основные концепции JMM

a. Атомарность

• Описание: Операция является атомарной, если она выполняется как единое неделимое действие.
• Пример атомарных операций в Java:
  • Чтение и запись примитивных типов данных размером до 32 бит (int, float, boolean, char, short, byte).
  • Операции с long и double не гарантированно атомарны в Java до версии 1.5, но начиная с Java 1.5, они стали атомарными.

b. Видимость

• Описание: Обеспечивает, что изменения, сделанные одним потоком, становятся видимыми другим потокам.
• Проблема видимости: Без правильной синхронизации один поток может не увидеть изменения, сделанные другим потоком.

c. Упорядочение (Ordering)

• Описание: Определяет порядок, в котором выполняются операции.
• Переупорядочивание инструкций: Компилятор и процессор могут менять порядок выполнения инструкций для оптимизации, что может привести к непредсказуемому поведению в многопоточной среде.

d. Отношение “Happens-Before”

• Описание: Модель, определяющая порядок видимости операций между потоками.
• Примеры “happens-before”:
  • Блок synchronized: выход из синхронизированного блока одним потоком “happens-before” входа в тот же блок другим потоком.
  • Запись в переменную volatile “happens-before” последующего чтения этой переменной другим потоком.

Механизмы синхронизации в JMM

a. volatile

• Гарантии:
  • Видимость изменений между потоками.
  • Запрет переупорядочивания операций с этой переменной.
• Использование: Для переменных, которые читаются и записываются несколькими потоками, и где операции над ними атомарны.

b. synchronized

• Гарантии:
  • Эксклюзивный доступ к блоку кода или методу.
  • Видимость и атомарность операций внутри синхронизированного блока.
• Использование: Когда требуется предотвратить состояние гонки и обеспечить атомарность составных операций.

c. final

• Гарантии: Объекты, на которые ссылаются final переменные, видны другим потокам после создания объекта.
• Использование: Для неизменяемых объектов и обеспечения безопасной публикации объектов.

4. Проблемы многопоточности и JMM

a. Состояние гонки (Race Condition)

• Описание: Происходит, когда несколько потоков одновременно обращаются к общим данным, и результат зависит от порядка выполнения операций.
• Решение: Использование синхронизации для контроля доступа к общим ресурсам.

b. Видимость изменений

• Описание: Поток может не видеть изменения переменной, сделанные другим потоком.
• Решение: Использование volatile или синхронизации.

c. Переупорядочивание инструкций

• Описание: Компилятор или процессор может менять порядок выполнения инструкций, что может привести к неожиданному поведению.
• Решение: Использование volatile, synchronized, которые устанавливают барьеры памяти.

5. Примеры и пояснения

Двойная проверка синхронизации (Double-Checked Locking)

• Проблема: В прошлом, из-за переупорядочивания инструкций, паттерн двойной проверки не работал корректно.
• Решение: Использование volatile с переменной-синглтоном.

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
 
    private Singleton() {}
 
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

6. Рекомендации для подготовки

• Изучите Java Memory Model (JSR-133): Понимание официальной спецификации поможет глубже понять принципы работы.
• Практикуйте написание многопоточных программ: Реализуйте примеры с использованием volatile, synchronized, Locks.
• Изучите проблемы многопоточности: Понимайте причины и способы решения состояний гонки, проблем видимости и переупорядочивания.
• Ознакомьтесь с высокоуровневыми конструкциями из java.util.concurrent: ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch, CyclicBarrier, ConcurrentHashMap и др.

javamemory