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:
- Regra de ordem do programa: Cada ação em um thread acontece antes de cada ação naquele thread que vem depois na ordem do programa.
- Regra de bloqueio do monitor: Um desbloqueio em um monitor acontece antes de cada bloqueio subsequente naquele monitor.
- Regra da variável volátil: Uma gravação em um campo volátil acontece antes de cada leitura subsequente desse campo.
- Regra de início de thread: Uma chamada para Tópico.início em um tópico acontece antes de qualquer ação no tópico iniciado.
- 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 MapInteger> 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.