Н.А. Вязовик - Программирование на Java

Рассмотрим пример:

public class ThreadTest {

private int a=1, b=2;

public void one() {

a=b;

}

public void two() {

b=a;

}

public static void main(String s[]) {

int a11=0, a22=0, a12=0;

for (int i=0; i<1000; i++) {

final ThreadTest o = new ThreadTest();

// Запускаем первый поток, который

// вызывает один метод

new Thread() {

public void run() {

o.one();

}

}

.start();

// Запускаем второй поток, который

// вызывает второй метод

new Thread() {

public void run() {

o.two();

}

}

.start();

// даем потокам время отработать

try {

Thread.sleep(100);

}

catch (InterruptedException e) {

}

// анализируем финальные значения

if (o.a==1 && o.b==1) a11++;

if (o.a==2 && o.b==2) a22++;

if (o.a!=o.b) a12++;

}

System.out.println(a11+" "+a22+" "+a12);

}

}

Пример 12.3.

В этом примере два потока исполнения одновременно обращаются к одному и тому же объекту, вызывая у него два разных метода, one() и two(). Эти методы пытаются приравнять два поля класса a и b друг другу, но в разном порядке. Учитывая, что исходные значения полей равны 1 и 2, соответственно, можно было ожидать, что после того, как потоки завершат свою работу, поля будут иметь одинаковое значение. Однако понять, какое из двух возможных значений они примут, уже невозможно. Посмотрим на результат программы:

135 864 1

Первое число показывает, сколько раз из тысячи обе переменные приняли значение 1. Второе число соответствует значению 2. Такое сильное преобладание одного из значений обусловлено последовательностью запусков потоков. Если ее изменить, то и количества случаев с 1 и 2 также меняются местами. Третье же число сообщает, что на тысячу случаев произошел один, когда поля вообще обменялись значениями!

При количестве итераций, равном 10000, были получены следующие данные, которые подтверждают сделанные выводы:

494 9498 8

А если убрать задержку перед анализом результатов, то получаемые данные радикально меняются:

0 3 997

Видимо, потоки просто не успевают отработать.

Итак, наглядно показано, сколь сильно и непредсказуемо может меняться результат работы одной и той же программы, применяющей многопоточную архитектуру. Необходимо учитывать, что в приведенном простом примере задержки создавались вручную методом Thread.sleep(). В реальных сложных системах задержки могут возникать в местах проведения сложных операций, их длина непредсказуема и оценить их последствия невозможно.

Для более глубокого понимания принципов многопоточной работы в Java рассмотрим организацию памяти в виртуальной машине для нескольких потоков.

Хранение переменных в памяти

Виртуальная машина поддерживает основное хранилище данных (main storage), в котором сохраняются значения всех переменных и которое используется всеми потоками. Под переменными здесь понимаются поля объектов и классов, а также элементы массивов. Что касается локальных переменных и параметров методов, то их значения не могут быть доступны другим потокам, поэтому они не представляют интереса.

Для каждого потока создается его собственная рабочая память (working memory), в которую перед использованием копируются значения всех переменных.

Рассмотрим основные операции, доступные для потоков при работе с памятью:

* use – чтение значения переменной из рабочей памяти потока;

* assign – запись значения переменной в рабочую память потока;

* read – получение значения переменной из основного хранилища;

* load – сохранение значения переменной, прочитанного из основного хранилища, в рабочей памяти;

* store – передача значения переменной из рабочей памяти в основное хранилище для дальнейшего хранения;

* write – сохраняет в основном хранилище значение переменной, переданной командой store.

Подчеркнем, что перечисленные команды не являются методами каких-либо классов, они недоступны программисту. Сама виртуальная машина использует их для обеспечения корректной работы потоков исполнения.

Поток, работая с переменной, регулярно применяет команды use и assign для использования ее текущего значения и присвоения нового. Кроме того, должны осуществляться действия по передаче значений в основное хранилище и из него. Они выполняются в два этапа. При получении данных сначала основное хранилище считывает значение командой read, а затем поток сохраняет результат в своей рабочей памяти командой load. Эта пара команд всегда выполняется вместе именно в таком порядке, т.е. нельзя выполнить одну, не выполнив другую. При отправлении данных сначала поток считывает значение из рабочей памяти командой store, а затем основное хранилище сохраняет его командой write. Эта пара команд также всегда выполняется вместе именно в таком порядке, т.е. нельзя выполнить одну, не выполнив другую.

Набор этих правил составлялся с тем, чтобы операции с памятью были достаточно строги для точного анализа их результатов, а с другой стороны, правила должны оставлять достаточное пространство для различных технологий оптимизаций (регистры, очереди, кэш и т.д.).

Последовательность команд подчиняется следующим правилам:

* все действия, выполняемые одним потоком, строго упорядочены, т.е. выполняются одно за другим;

* все действия, выполняемые с одной переменной в основном хранилище памяти, строго упорядочены, т.е. следуют одно за другим.

За исключением некоторых дополнительных очевидных правил, больше никаких ограничений нет. Например, если поток изменил значение сначала одной, а затем другой переменной, то эти изменения могут быть переданы в основное хранилище в обратном порядке.

Поток создается с чистой рабочей памятью и должен перед использованием загрузить все необходимые переменные из основного хранилища. Любая переменная сначала создается в основном хранилище и лишь затем копируется в рабочую память потоков, которые будут ее применять.

Таким образом, потоки никогда не взаимодействуют друг с другом напрямую, только через главное хранилище.

Модификатор volatile

При объявлении полей объектов и классов может быть указан модификатор volatile. Он устанавливает более строгие правила работы со значениями переменных.

Если поток собирается выполнить команду use для volatile переменной, то требуется, чтобы предыдущим действием с этой переменной было обязательно load, и наоборот – операция load может выполняться только перед use. Таким образом, переменная и главное хранилище всегда имеют самое последнее значение этой переменной.

Аналогично, если поток собирается выполнить команду store для volatile переменной, то требуется, чтобы предыдущим действием над этой переменной было обязательно assign, и наоборот – операция assign может выполняться, только если следующей будет store. Таким образом, переменная и главное хранилище всегда имеют самое последнее значение этой переменной.

Наконец, если проводятся операции над несколькими volatile переменными, то передача соответствующих изменений в основное хранилище должна проводиться строго в том же порядке.