Модель памяти Java

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 многопоточного «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 два одиночки;
либо конструкция будет зависеть от особенностей поведения той или иной машины.

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^[en]^[4].

ПредпосылкиПравить

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 памятиПравить

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»Править

В двух потоках нашлась цепочка «выполняется прежде» (обозначена символом строгого частичного порядка

\text{[math]}

\prec

), 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.

ВлияниеПравить

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. такжеПравить

ПримечанияПравить

↑ The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration (неопр.). Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 6 марта 2012 года.
↑ ¹ ² Goetz, Brian Fixing the Java Memory Model, Part 2 (неопр.) (24 февраля 2004). Дата обращения: 18 октября 2010. Архивировано из оригинала 8 января 2007 года.
↑ Jeremy Manson and Brian Goetz. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ (неопр.) (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.
↑ 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.
↑ Synchronization and the Java Memory Model (неопр.). Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 11 мая 2013 года.
↑ The JSR-133 Cookbook (неопр.). Дата обращения: 18 июля 2013. Архивировано из оригинала 25 сентября 2013 года.
↑ Ниоткуда, кроме как из конструктора, в final-поля писать нельзя.
↑ >рабочие заметки: Гарантии для final-полей (неопр.). Дата обращения: 22 июля 2013. Архивировано 16 января 2015 года.
↑ Goetz, Brian Fixing the Java Memory Model, Part 1 (неопр.) (24 февраля 2004). Дата обращения: 17 февраля 2008. Архивировано из оригинала 13 августа 2009 года.
↑ Boehm, Hans Threads and memory model for C++ (неопр.) (недоступная ссылка — история). Дата обращения: 17 февраля 2008. Архивировано 4 сентября 2013 года.

СсылкиПравить

Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, part 1 Архивировано 13 августа 2009 года. — An article describing problems with the original Java memory model.
Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, part 2 Архивировано 8 января 2007 года. — Explains the changes JSR 133 made to the Java memory model.
The Java Memory Model links
JSR-133 webpage (англ.)
JSR-133 FAQ (англ.)
Перевод JSR-133 FAQ (рус.)
JSR-133 implementation guide

[1] The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration (неопр.). Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 6 марта 2012 года.

[Goetz2-2] ¹ ² Goetz, Brian Fixing the Java Memory Model, Part 2 (неопр.) (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 (неопр.) (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 (неопр.). Дата обращения: 21 июля 2013. Архивировано 11 мая 2013 года.

[6] The JSR-133 Cookbook (неопр.). 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 (неопр.). Дата обращения: 22 июля 2013. Архивировано 16 января 2015 года.

[9] Goetz, Brian Fixing the Java Memory Model, Part 1 (неопр.) (24 февраля 2004). Дата обращения: 17 февраля 2008. Архивировано из оригинала 13 августа 2009 года.

[10] Boehm, Hans Threads and memory model for C++ (неопр.) (недоступная ссылка — история). Дата обращения: 17 февраля 2008. Архивировано 4 сентября 2013 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]