Многопоточность. Модель памяти Java (часть 2)

в 14:32, , рубрики: java, java memory model

Привет! Представляю вашему вниманию перевод второй части статьи «Java Memory Model» автора Jakob Jenkov. Первая часть тут.

Аппаратная архитектура памяти

Современная аппаратная архитектура памяти несколько отличается от внутренней Java-модели памяти. Важно понимать аппаратную архитектуру, чтобы понять, как с ней работает Java-модель. В этом разделе описывается общая аппаратная архитектура памяти, а в следующем разделе описывается, как с ней работает Java.

Вот упрощенная схема аппаратной архитектуры современного компьютера:
Многопоточность. Модель памяти Java (часть 2) - 1
Современный компьютер часто имеет 2 или более процессоров. Некоторые из этих процессоров также могут иметь несколько ядер. На таких компьютерах возможно одновременное выполнение нескольких потоков. Каждый процессор способен запускать один поток в любой момент времени. Это означает, что если ваше Java-приложение является многопоточным, то внутри вашей программы может быть запущен одновременно один поток на один процессор.

Каждый ЦП содержит набор регистров, которые, по существу, находятся в памяти ЦП. Процессор может выполнять операции с этими регистрами намного быстрее, чем с переменными в основной памяти. Это связано с тем, что процессор может получить доступ к этим регистрам гораздо быстрее, чем к основной памяти.

Каждый ЦП также может иметь слой кэш-памяти. Фактически, большинство современных процессоров имеют слой кэш-памяти некоторого размера. Процессор может получить доступ к своей кэш-памяти намного быстрее, чем к основной памяти, но, как правило, не так быстро, как к своим внутренним регистрам. Таким образом, скорость доступа к кэш-памяти находится где-то между скоростями доступа к внутренним регистрам и к основной памяти. Некоторые процессоры могут иметь многоуровневый кэш, но это не так важно знать, чтобы понять, как Java-модель памяти взаимодействует с аппаратной памятью. Важно знать, что процессоры могут иметь некоторый уровень кэш-памяти.

Компьютер также содержит область основной памяти (ОЗУ). Все процессоры могут получить доступ к основной памяти. Основная область памяти обычно намного больше, чем кэш-память процессоров.

Как правило, когда процессору нужен доступ к основной памяти, он считывает часть основной памяти в свою кэш-память. Он может даже считывать часть данных из кэша в свои внутренние регистры и затем выполнять операции над ними. Когда ЦПУ необходимо записать результат обратно в основную память, он сбрасывает данные из своего внутреннего регистра в кэш-память и в какой-то момент в основную память.

Данные, хранящиеся в кэш-памяти, обычно сбрасываются обратно в основную память, когда процессору необходимо сохранить в кэш-памяти что-то еще. Кэш может одновременно записывать данные в часть своей памяти и одновременно очищать часть своей памяти. Он не должен читать/записывать полный кэш каждый раз, когда он обновляется. Обычно кэш обновляется небольшими блоками памяти, называемыми «строками кэша». Одна или несколько строк кэша могут быть считаны в кэш-память, и одна или более строк кэша могут быть сброшены назад в основную память.

Совмещение Java-модели памяти и аппаратной архитектуры памяти

Как уже упоминалось, Java-модель памяти и аппаратная архитектура памяти различны. Аппаратная архитектура не различает стеки потоков и кучу. На оборудовании стек потоков и куча (heap) находятся в основной памяти. Части стеков и кучи потоков могут иногда присутствовать в кэшах и внутренних регистрах ЦП. Это показано на диаграмме:
Многопоточность. Модель памяти Java (часть 2) - 2
Когда объекты и переменные могут храниться в различных областях памяти компьютера, могут возникнуть определенные проблемы. Вот две основные:
• Видимость изменений, которые произвёл поток над общими переменными.
• Состояние гонки при чтении, проверке и записи общих переменных.
Обе эти проблемы будут объяснены в следующих разделах.

Видимость общих объектов

Если два или более потока делят между собой объект без надлежащего использования volatile-объявления или синхронизации, то изменения общего объекта, сделанные одним потоком, могут быть невидимы для других потоков.

Представьте, что общий объект изначально хранится в основной памяти. Поток, выполняющийся на ЦП, считывает общий объект в кэш этого же ЦП. Там он вносит изменения в объект. Пока кэш ЦП не был сброшен в основную память, измененная версия общего объекта не видна потокам, работающим на других ЦП. Таким образом, каждый поток может получить свою собственную копию общего объекта, каждая копия будет находиться в отдельном кэше ЦП.

Следующая диаграмма иллюстрирует набросок ситуации. Один поток, работающий на левом ЦП, копирует в его кэш общий объект и изменяет значение переменной count на 2. Это изменение невидимо для других потоков, работающих на правом ЦП, поскольку обновление для count ещё не было сброшено обратно в основную память.
Многопоточность. Модель памяти Java (часть 2) - 3
Для того, чтобы решить эту проблему, вы можете использовать ключевое слово volatile. Оно может гарантировать, что данная переменная считывается непосредственно из основной памяти и всегда записывается обратно в основную память при обновлении.

Состояние гонки

Если два или более потоков совместно используют один объект и более одного потока обновляют переменные в этом общем объекте, то может возникнуть состояние гонки.

Представьте, что поток A считывает переменную count общего объекта в кэш своего процессора. Представьте также, что поток B делает то же самое, но в кэш другого процессора. Теперь поток A прибавляет 1 к значению переменной count, и поток B делает то же самое. Теперь var1 была увеличена дважды — отдельно по +1 в кэше каждого процессора.

Если бы эти приращения были выполнены последовательно, переменная count была бы увеличена в два раза и обратно в основную память было бы записано исходное значение + 2.
Тем не менее, два приращения были выполнены одновременно без надлежащей синхронизации. Независимо от того, какой из потоков (A или B), записывает свою обновленную версию count в основную память, новое значение будет только на 1 больше исходного значения, несмотря на два приращения.

Эта диаграмма иллюстрирует возникновение проблемы с состоянием гонки, которое описано выше:
Многопоточность. Модель памяти Java (часть 2) - 4
Для решения этой проблемы вы можете использовать синхронизированный блок Java. Синхронизированный блок гарантирует, что только один поток может войти в данный критический раздел кода в любой момент времени. Синхронизированные блоки также гарантируют, что все переменные, к которым обращаются внутри синхронизированного блока, будут считаны из основной памяти, и когда поток выйдет из синхронизированного блока, все обновленные переменные будут снова сброшены в основную память, независимо от того, объявлена ли переменная как volatile или нет.

Автор: mirniypirojok

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js