Философия Java3

Атомарные операции, упоминаемые в таких дискуссиях, включают в себя «простые операции» с примитивными типами, за исключением long и double.

Чтение и запись примитивных переменных гарантированно выполняются как атомарные (неделимые) операции. С другой стороны, JVM разрешается выполнять чтение и запись 64-разрядных величин (long и double) в виде двух раздельных 32-разрядных операций, с ненулевой вероятностью переключения контекста в ходе чтения или записи. Для достижения атомарности (при простом присваивании и возврате значений) можно определить типы long и double с модификатором volatile (учтите, что до выхода Java SE5 ключевое слово volatile не всегда работало корректно). Некоторые реализации JVM могут предоставлять более сильные гарантии, но вы не должны полагаться на платформенно-специ-фические возможности.

В многопроцессорных системах (которые в наши дни представлены многоядерными процессорами, то есть несколькими процесорами на одном чипе) видимость (visibility) играет гораздо более важную роль, чем в однопроцессорных системах. Изменения, вносимые одной задачей, — даже атомарные в смысле невозможности прерывания — могут оставаться невидимыми для других задач (например, если изменения временно хранятся в локальном кэше процессора). Таким образом, разные задачи будут по-разному воспринимать состояние приложения. Механизм синхронизации обеспечивает распространение видимости изменений, вносимых одной задачей в многопроцессорной системе, по всему приложению. Без синхронизации невозможно заранее предсказать, когда именно изменения станут видимыми.

Ключевое слово volatile обеспечивает видимость в рамках приложения. Если поле объявлено как volatile, это означает, что сразу же после записи в поле изменение будет отражено во всех последующих операциях чтения. Утверждение истинно даже при участии локальных кэшей — поля volatile немедленно записываются в основную память, и дальнейшее чтение происходит из основной памяти.

Если слепо следовать концепции атомарности, можно заметить, что метод getValue() в следующем примере вроде бы отвечает этому описанию:

//: concurrency/AtomicityTest.java

import java.util.concurrent.*;

public class AtomicityTest implements Runnable { private int i = 0; public int getValueO { return i; } private synchronized void evenIncrement О { i++, i++. } public void run() { while(true)

evenlncrementO;

}

public static void mam(String[] args) {

ExecutorService exec = Executors newCachedThreadPoolО; AtomicityTest at = new AtomicityTest(); exec execute(at). while(true) {

int val = at.getValueO; if(val % 2 != 0) {

System.out.println(val), System.exit(0);

} /* Output

191583767

*///:-

Однако программа находит нечетные значения и завершается. Хотя return i и является атомарной операцией, отсутствие synchronized позволит читать значение объекта, когда он находится в нестабильном промежуточном состоянии. Вдобавок переменная i не объявлена как volatile, а это приведет к проблемам с видимостью. Оба метода, getValue() и evenlncrement(), должны быть объявлены синхронизируемыми. Только эксперты в области параллельных вычислений могут пытаться применять оптимизацию в подобных случаях.

В качестве второго примера рассмотрим кое-что еще более простое: класс, производящий серийные номера²⁵. Каждый раз при вызове метода nextSerialNum-ber() он должен возвращать уникальное значение:

//: concurrency/SerialNumberGeneratorJava

public class SerialNumberGenerator {

private static volatile int serial Number = 0, public static int nextSerialNumberО {

return serialNumber++; // Операция не является потоково-безопасной

}

} ///.-

Представить себе класс тривиальнее SerialNumberGenerator вряд ли можно, и если вы ранее работали с языком С++ или имеете другие низкоуровневые навыки, то, видимо, ожидаете, что операция инкремента будет атомарной, так как инкремент обычно реализуется в виде одной инструкции микропроцессора. Однако в виртуальной машине Java инкремент не является атомарным и состоит из чтения и записи, соответственно, ниша для проблем с потоками найдется даже в такой простой программе.

Поле serialNumber объявлено как volatile потому, что каждый поток обладает локальным стеком и поддерживает в нем копии некоторых локальных переменных. Если вы объявляете переменную как volatile, то тем самым указываете компилятору не проводить оптимизацию, а это приведет к удалению чтения и записи, удерживающих поле в соответствии с локальными данными потока. Операции чтения и записи осуществляются непосредственно с памятью без кэширования. Кроме того, volatile не позволяет компилятору изменять порядок обращений с целью оптимизации. И все же присутствие volatile не влияет на тот факт, что инкремент не является атомарной операцией.