Compreendendo a consistência da memória em threads Java


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Java, como uma linguagem de programação versátil e amplamente usada, fornece suporte para multithreading, permitindo que desenvolvedores criem aplicativos concorrentes que podem executar múltiplas tarefas simultaneamente. No entanto, com os benefícios da simultaneidade vêm os desafios, e um dos aspectos críticos a considerar é a consistência da memória em threads Java.

Em um ambiente multithread, vários threads compartilham o mesmo espaço de memória, levando a problemas potenciais relacionados à visibilidade e consistência dos dados. Consistência de memória se refere à ordem e visibilidade das operações de memória em vários threads. Em Java, o Java Reminiscence Mannequin (JMM) outline as regras e garantias de como os threads interagem com a memória, garantindo um nível de consistência que permite um comportamento confiável e previsível.

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Como funciona a consistência de memória em Java?

Entender a consistência da memória envolve compreender conceitos como atomicidade, visibilidade e ordenação de operações. Vamos nos aprofundar nesses aspectos para obter uma imagem mais clara.

Atomicidade

No contexto de multithreading, atomicidade se refere à indivisibilidade de uma operação. Uma operação atômica é aquela que parece ocorrer instantaneamente, sem nenhuma operação intercalada de outras threads. Em Java, certas operações, como ler ou escrever em variáveis ​​primitivas (exceto longo e dobro), são garantidamente atômicas. No entanto, ações compostas, como incrementar um não volátil longonão são atômicos.

Aqui está um exemplo de código demonstrando atomicidade:

public class AtomicityExample {

    personal int counter = 0;
    public void increment() {
        counter++; // Not atomic for lengthy or double
    }
    public int getCounter() {
        return counter; // Atomic for int (and different primitive sorts besides lengthy and double)
    }
}

Para operações atômicas em longo e dobroJava fornece o java.util.concorrente.atômico pacote com courses como AtomicLong e AtomicDuploconforme mostrado abaixo:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

 

public class AtomicExample {

    personal AtomicLong atomicCounter = new AtomicLong(0);

 

    public void increment() {

        atomicCounter.incrementAndGet(); // Atomic operation

    }

 

    public lengthy getCounter() {

        return atomicCounter.get(); // Atomic operation

    }

}

Visibilidade

Visibilidade refere-se a se as alterações feitas por um thread em variáveis ​​compartilhadas são visíveis para outros threads. Em um multithread ambiente, os threads podem armazenar variáveis ​​em cache localmente, levando a situações em que as alterações feitas por um thread não são imediatamente visíveis para os outros. Para resolver isso, o Java fornece o volátil palavra-chave.

public class VisibilityExample {

    personal unstable boolean flag = false;




    public void setFlag() {

        flag = true; // Seen to different threads instantly

    }




    public boolean isFlag() {

        return flag; // At all times reads the newest worth from reminiscence

    }

}

Usando volátil garante que qualquer thread que leia a variável veja a gravação mais recente.

Encomenda

A ordenação diz respeito à sequência na qual as operações parecem ser executadas. Em um ambiente multithread, a ordem na qual as instruções são executadas por diferentes threads pode nem sempre corresponder à ordem na qual foram escritas no código. O Java Reminiscence Mannequin outline regras para estabelecer uma acontece-antes relacionamento, garantindo uma ordem consistente de operações.

public class OrderingExample {

    personal int x = 0;

    personal boolean prepared = false;




    public void write() {

        x = 42;

        prepared = true;

    }




    public int learn() {

        whereas (!prepared) {

            // Spin till prepared

        }

        return x; // Assured to see the write due to happens-before relationship

    }

}

Ao entender esses conceitos básicos de atomicidade, visibilidade e ordenação, os desenvolvedores podem escrever código seguro para threads e evitar armadilhas comuns relacionadas à consistência da memória.

Ler: Melhores práticas para multithreading em Java

Sincronização de Threads

Java fornece mecanismos de sincronização para controlar o acesso a recursos compartilhados e garantir a consistência da memória. Os dois principais mecanismos de sincronização são sincronizado métodos/blocos e o java.util.concorrente pacote.

Métodos e Blocos Sincronizados

O sincronizado A palavra-chave garante que apenas um thread pode executar um método ou bloco synchronized por vez, evitando acesso simultâneo e mantendo a consistência da memória. Aqui está um pequeno exemplo de código demonstrando como usar a sincronizado palavra-chave em Java:

public class SynchronizationExample {

    personal int sharedData = 0;




    public synchronized void synchronizedMethod() {

        // Entry and modify sharedData safely

    }




    public void nonSynchronizedMethod() {

        synchronized (this) {

            // Entry and modify sharedData safely

        }

    }

}

Enquanto sincronizado fornece uma maneira direta de obter sincronização, mas pode levar a problemas de desempenho em certas situações devido ao seu mecanismo de bloqueio inerente.

Pacote java.util.concurrent

O java.util.concorrente O pacote introduz mecanismos de sincronização mais flexíveis e granulares, como Fechaduras, Semáforose ContagemRegressivaTrava. Essas courses oferecem melhor controle sobre simultaneidade e pode ser mais eficiente que a sincronização tradicional.

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;




public class LockExample {

    personal int sharedData = 0;

    personal Lock lock = new ReentrantLock();




    public void performOperation() {

        lock.lock();

        attempt {

            // Entry and modify sharedData safely

        } lastly {

            lock.unlock();

        }

    }

}

O uso de bloqueios permite um controle mais refinado sobre a sincronização e pode levar a um melhor desempenho em situações em que a sincronização tradicional pode ser muito grosseira.

Garantias de consistência de memória

O Modelo de Memória Java fornece diversas garantias para assegurar a consistência da memória e uma ordem de execução consistente e previsível para operações em programas multithread:

  1. Regra de ordem do programa: Cada ação em um thread acontece antes de cada ação naquele thread que vem depois na ordem do programa.
  2. Regra de bloqueio do monitor: Um desbloqueio em um monitor acontece antes de cada bloqueio subsequente naquele monitor.
  3. Regra da variável volátil: Uma gravação em um campo volátil acontece antes de cada leitura subsequente desse campo.
  4. Regra de início de thread: Uma chamada para Tópico.início em um tópico acontece antes de qualquer ação no tópico iniciado.
  5. Regra de término de thread: Qualquer ação em um thread acontece antes que qualquer outro thread detecte que ele foi encerrado.

Dicas práticas para gerenciar a consistência da memória

Agora que abordamos os fundamentos, vamos explorar algumas dicas práticas para gerenciar a consistência da memória em threads Java.

1. Usar volátil Sabiamente

Enquanto volátil garante visibilidade, não fornece atomicidade para ações compostas. Use volátil criteriosamente para sinalizadores ou variáveis ​​simples onde a atomicidade não é uma preocupação.

public class VolatileExample {

    personal unstable boolean flag = false;




    public void setFlag() {

        flag = true; // Seen to different threads instantly, however not atomic

    }




    public boolean isFlag() {

        return flag; // At all times reads the newest worth from reminiscence

    }

}

2. Empregue coleções Thread-Protected

Java fornece implementações thread-safe de courses de coleção comuns no java.util.concorrente pacote, como Mapa de Hash Concorrente e CopiarNaGravaçãoArrayList. O uso dessas courses pode eliminar a necessidade de sincronização explícita em muitos casos.

import java.util.Map;

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;




public class ConcurrentHashMapExample {

    personal Map Integer> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();




    public void addToMap(String key, int worth) {

        concurrentMap.put(key, worth); // Thread-safe operation

    }




    public int getValue(String key) {

        return concurrentMap.getOrDefault(key, 0); // Thread-safe operation

    }

}

Você pode aprender mais sobre operações thread-safe em nosso tutorial: Segurança de Threads Java.

3. Lessons atômicas para operações atômicas

Para operações atômicas em variáveis ​​como Inteiro e longoconsidere usar courses do java.util.concorrente.atômico pacote, como AtomicInteger e AtomicLong.

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;




public class AtomicIntegerExample {

    personal AtomicInteger atomicCounter = new AtomicInteger(0);




    public void increment() {

        atomicCounter.incrementAndGet(); // Atomic operation

    }




    public int getCounter() {

        return atomicCounter.get(); // Atomic operation

    }

}

4. Bloqueio de granulação fina

Em vez de usar sincronização de granulação grossa com sincronizado métodos, considere usar bloqueios mais refinados para melhorar a simultaneidade e o desempenho.

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;


public class FineGrainedLockingExample {

    personal int sharedData = 0;

    personal Lock lock = new ReentrantLock();

    public void performOperation() {

        lock.lock();

        attempt {

            // Entry and modify sharedData safely

        } lastly {

            lock.unlock();

        }

    }

}

5. Entenda o relacionamento do que acontece antes

Esteja ciente do relacionamento “acontece antes” definido pelo Modelo de Memória Java (veja a seção Garantias de Consistência de Memória acima). Entender esses relacionamentos ajuda a escrever código multithread correto e previsível.

Considerações finais sobre consistência de memória em threads Java

A consistência de memória em threads Java é um aspecto crítico da programação multithread. Os desenvolvedores precisam estar cientes do Java Reminiscence Mannequin, entender as garantias que ele fornece e empregar mecanismos de sincronização criteriosamente. Ao usar técnicas como volátil para visibilidade, bloqueios para controle refinado e courses atômicas para operações específicas, os desenvolvedores podem garantir a consistência da memória em seus aplicativos Java simultâneos.

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