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 »:

• 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 . 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 .

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).

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»

«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 . Таким образом, volatile -запись делает с памятью то же, что возврат монитора, а чтение — то же, что захват . 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 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 .
  • 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 .

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 .

См. также

• Модель памяти Intel x86
• Модель памяти в языке Си

Примечания

Ссылки

• 13 августа 2009 года. — An article describing problems with the original Java memory model.
• 8 января 2007 года. — Explains the changes JSR 133 made to the Java memory model.
• (англ.)
• (англ.)
• (рус.)