Модель памяти Java

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Модель памяти Java (англ. Java Memory Model, JMM) описывает поведение потоков в среде исполнения Java. Модель памяти — часть семантики языка Java, и описывает, на что может и на что не должен рассчитывать программист, разрабатывающий ПО не для конкретной Java-машины, а для Java в целом.

Исходная модель памяти Java (к которой, в частности, относится «потоколокальная память»), разработанная в 1995 году, считается неудачной: многие оптимизации невозможно провести, не потеряв гарантию безопасности кода. В частности, есть несколько вариантов написать многопоточную «одиночку»:[1]

  • либо каждый акт доступа к одиночке (даже когда объект давно создан, и ничего уже не может измениться) будет вызывать межпоточную блокировку;
  • либо при определённом стечении обстоятельств система выдаст недостроенного одиночку;
  • либо при определённом стечении обстоятельств система создаст две одиночки;
  • либо конструкция будет зависеть от особенностей поведения той или иной машины.
См. также: Double checked locking

В J2SE 5.0 (30 сентября 2004) появилась новая модель памяти, разработанная через Java Community Process под названием JSR-133[2][3]. Она лучше отражала принципы работы современных процессоров и компиляторов, и другие языки брали идеи из модели Java. Основной вклад в её создание внесли Сарита Адве, Джереми Мейсон и Билл Пью[англ.][4].

Предпосылки

Язык программирования Java позволяет писать многопоточные программы. Поскольку Java может работать на самых разных процессорах и ОС, синхронизация потоков особенно затрудняется. Чтобы программист мог сделать какие-то выводы о поведении программ, разработчики Java решили чётко определить различные варианты поведения всех программ на Java.

На современных компьютерах код ради скорости выполняется не в том порядке, в котором написан. Перестановка выполняется компилятором, процессором и подсистемой памяти. На многопроцессорных машинах каждое ядро может иметь свой кэш, не синхронный с основной памятью. А значит, у разных процессоров могут быть одновременно разные значения одной и той же переменной. Когда потоки много взаимодействуют друг с другом, это обычно нежелательно: чтобы быть в курсе сделанного другим процессором, нужно много времени.

К тому же в однопоточной среде достаточно потребовать от системы «псевдопоследовательного» выполнения программы — наблюдателю, который видит только ввод-вывод, будет казаться, что все действия выполняются в том порядке, в котором они появились в программе, даже если это не так. Однако любому, кто сможет «заглянуть» в память компьютера — в том числе другому потоку — все эти «трюки» будут заметны. Рассмотрим два потока, которые одновременно выполняют такой код (x и y изначально нули).

Поток 1 Поток 2
x = 1; int r1 = y;
y = 2; int r2 = x;

Если нет перестановок, а поток 2 считал y=2, гарантированно должно быть x=1: ведь запись в x выполняется прежде, чем запись в y. С перестановкой оказывается возможна и, казалось бы, парадоксальная ситуация: r1=2, r2=0.

Такое поведение многопоточных программ модель JMM разрешает, но описывает, когда такие перестановки возможны. Таким образом, модель памяти Java накладывает ограничения на взаимодействие потоков, чтобы не потерять возможные оптимизации и в то же время дать возможность многопоточным программам вести себя надёжно и предсказуемо там, где это нужно. Программист может делать какие-либо заключения о том, в каком порядке выполняется код на многопоточной машине, даже несмотря на оптимизации, проводимые компилятором, процессором и кэшем.

Модель памяти

Правило № 1: однопоточные программы исполняются псевдопоследовательно. Это значит: в реальности процессор может выполнять несколько операций за такт, заодно изменив их порядок, однако все зависимости по данным остаются, так что поведение не отличается от последовательного.

Правило № 2: нет невесть откуда взявшихся значений. Чтение любой переменной (кроме не-volatile long и double, для которых это правило может не выполняться) выдаст либо значение по умолчанию (ноль), либо что-то, записанное туда другой командой.

И правило № 3: остальные события выполняются по порядку, если связаны отношением строгого частичного порядка «выполняется прежде» (англ. happens before).

«Выполняется прежде»

В двух потоках нашлась цепочка «выполняется прежде» (обозначена символом строгого частичного порядка ), поэтому println выведет корректное значение.

«Выполняется прежде» (англ. happens before) — отношение строгого частичного порядка (антирефлексивное, антисимметричное, транзитивное), введённое между атомарными командами (++ и -- не атомарны), придуманное Лесли Лэмпортом и не означающее «физически прежде». Оно значит, что вторая команда будет «в курсе» изменений, проведённых первой.

В частности, одно выполняется прежде другого для таких операций (список не исчерпывающий):

  • Синхронизация и мониторы:
    • Захват монитора (начало synchronized, метод lock) и всё, что после него в том же потоке.
    • Возврат монитора (конец synchronized, метод unlock) и всё, что перед ним в том же потоке.
      • Таким образом, оптимизатор может заносить строки в синхроблок, но не наружу.
    • Возврат монитора и последующий захват другим потоком.
  • Запись и чтение:
    • Любые зависимости по данным (то есть запись в любую переменную и последующее чтение её же) в одном потоке.
    • Всё, что в том же потоке перед записью в volatile-переменную, и сама запись.
    • volatile-чтение и всё, что после него в том же потоке.
    • Запись в volatile-переменную и последующее считывание её же[2][5]. Таким образом, volatile-запись делает с памятью то же, что возврат монитора, а чтение — то же, что захват[6]. А значит: если один поток записал в volatile-переменную, а второй обнаружил это, всё, что предшествует записи, выполняется раньше всего, что идёт после чтения; см. иллюстрацию.
      • Для объектных переменных (например, volatile List x;) столь сильные гарантии выполняются для ссылки на объект, но не для его содержимого.
  • Обслуживание объекта:
    • Статическая инициализация и любые действия с любыми экземплярами объектов.
    • Запись в final-поля в конструкторе[7] и всё, что после конструктора. Как исключение из всеобщей транзитивности, это соотношение happens-before не соединяется транзитивно с другими правилами и поэтому может вызвать межпоточную гонку[8].
    • Любая работа с объектом и finalize().
  • Обслуживание потока:
    • Запуск потока и любой код в потоке.
    • Зануление переменных, относящихся к потоку, и любой код в потоке.
    • Код в потоке и join(); код в потоке и isAlive() == false.
    • interrupt() потока и обнаружение факта останова.

Влияние

Из-за повсеместного внедрения многопоточных и параллельных систем потребовался инструментарий с чёткой семантикой. Модель памяти Java стала первой попыткой разработать исчерпывающую модель межпоточного взаимодействия для крупного языка программирования[9].

В C++03 единственное замечание о многопоточности — для volatile-переменных не проводить никаких оптимизаций, связанных с ускорением доступа. Этого тоже не хватало, чтобы задействовать всю мощь переставляющего компилятора/процессора и не получить ошибку, связанную с внеочередным выполнением какой-то команды. Сходная модель памяти вошла в C++11[10].

См. также

Примечания

  1. ↑ The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration. Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 6 марта 2012 года.
  2. ↑ 1 2 Goetz, Brian Fixing the Java Memory Model, Part 2 (24 февраля 2004). Дата обращения: 18 октября 2010. Архивировано из оригинала 8 января 2007 года.
  3. ↑ Jeremy Manson and Brian Goetz. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ (февраль 2004). — «The Java Memory Model describes what behaviors are legal in multithreaded code, and how threads may interact through memory. It describes the relationship between variables in a program and the low-level details of storing and retrieving them to and from memory or registers in a real computer system. It does this in a way that can be implemented correctly using a wide variety of hardware and a wide variety of compiler optimizations.». Дата обращения: 18 октября 2010. Архивировано 4 сентября 2013 года.
  4. ↑ James Gosling, Bill Joy, Guy L. Jr. Steele, Gilad Bracha, Alex Buckley. The Java Language Specification, Java SE 7 Edition. — Pearson Education, 2013. — ISBN 978-0-13-326032-8.
  5. ↑ Synchronization and the Java Memory Model. Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 11 мая 2013 года.
  6. ↑ The JSR-133 Cookbook. Дата обращения: 18 июля 2013. Архивировано из оригинала 25 сентября 2013 года.
  7. ↑ Ниоткуда, кроме как из конструктора, в final-поля писать нельзя.
  8. ↑ >рабочие заметки: Гарантии для final-полей. Дата обращения: 22 июля 2013. Архивировано 16 января 2015 года.
  9. ↑ Goetz, Brian Fixing the Java Memory Model, Part 1 (24 февраля 2004). Дата обращения: 17 февраля 2008. Архивировано из оригинала 13 августа 2009 года.
  10. ↑ Boehm, Hans Threads and memory model for C++. Дата обращения: 17 февраля 2008. Архивировано из оригинала 4 сентября 2013 года.

Ссылки