Une plongée profonde dans le modèle de mémoire Java et ses garanties

Le modèle de mémoire Java (JMM) définit les garanties de visibilité et de commande dans les programmes multithreads; 1. La relation constituée avant celle-ci garantit que les écritures sont visibles pour d'autres threads lorsqu'ils sont établis via des règles comme l'ordre du programme, les verrous du moniteur, les variables volatiles, le démarrage / jointure du thread et la transitivité; 2. Sans synchronisation, les threads peuvent ne pas voir les valeurs mises à jour dues à la mise en cache ou à la réorganisation; 3. Les blocs synchronisés fournissent une exclusion mutuelle et une visibilité; 4. Les variables volatiles garantissent l'accès direct à la mémoire et empêchent la réorganisation; 5. Les champs finaux permettent une publication sûre d'objets immuables; 6. Les idées fausses courantes comprennent la sous-estimation du rôle de la synchronisation pour la visibilité et l'atomicité en supposant pour long / double sans volatile; Établissez toujours un lien en passant par les écritures et les lectures dans un code simultané pour assurer l'exactitude.

Le modèle de mémoire Java (JMM) est une partie critique mais souvent mal compris de la plate-forme Java. Il définit comment les threads interagissent par la mémoire et les garanties fournies pour l'accès aux données partagées dans un environnement multithread. Comprendre le JMM est essentiel pour écrire du code simultanée correct et haute performance - en particulier lorsqu'il s'agit de constructions de concurrence de bas niveau ou d'essayer de raisonner sur la visibilité et l'ordre des opérations sur les threads.

Décomposons le JMM et ses principales garanties en termes pratiques.

Quel est le modèle de mémoire Java?

Le modèle de mémoire Java ne concerne pas la disposition du tas ou de la pile - c'est une spécification qui décrit comment les threads Java interagissent avec la mémoire, en particulier en ce qui concerne les variables partagées . Il définit les conditions dans lesquelles un thread est garanti pour voir une valeur écrite par un autre thread.

Sans le JMM, les optimisations matérielles modernes comme les caches CPU, l'exécution hors service et la réorganisation du compilateur pourraient rendre les programmes multithreads imprévisibles et non portables. Le JMM fournit une abstraction cohérente sur ces complexités sous-jacentes.

À la base, le JMM répond à deux questions clés:

• Quand une écriture à une variable par un thread devient-elle visible sur un autre thread?
• Dans quel ordre les opérations de mémoire semblent-elles s'exécuter sur les threads?

Concepts clés: arrive avant, visibilité et commande

Le mécanisme central que JMM utilise pour offrir des garanties est la relation en passant avant . Ce n'est pas une garantie de synchronisation - c'est une commande partielle des opérations qui garantit la visibilité et empêche certaines réorganisations.

Si une action se produit avant une autre, la première est garantie pour être visible et commandée avant la seconde.

Voici les règles principales qui établissent des relations avant de se produire:

• Règle de l'ordre du programme : chaque thread a une relation provenant avant les actions dans l'ordre dans lequel ils apparaissent dans le code.

   int a = 1; // arrive avant
  int b = 2; // ce

• Règle de verrouillage du moniteur : un déverrouillage sur un moniteur (par exemple, sortant d'un bloc synchronized ) se produit avant chaque verrou suivant sur le même moniteur.

   synchronisé (verrouillage) {
      données = 42; // écrit sous verrouillage
  } // Déverrouiller → Art avant le prochain verrouillage

• Règle de variable volatile : une écriture à une variable volatile se produit avant chaque lecture ultérieure de cette même variable volatile.

   Boolean volatile prêt = false;
  
  // Fil 1
  data = 100;
  Ready = true; // Écriture volatile
  
  // Fil 2
  si (prêt) {// lecture volatile
      System.out.println (données); // garanti de voir 100
  }

• Règle de démarrage du thread : un appel à Thread.start() arrive avant toutes les actions du thread démarré.

• Règle de jointure du thread : toutes les actions dans un thread se produisent avant le retour de la méthode join() de ce thread.

• Transitivité : Si A se produit avant B, et B arrive avant C, alors un arrive avant C.

Ces règles vous permettent de créer des chaînes de visibilité sur les threads sans synchronisation explicite à chaque étape du processus.

Le problème: visibilité sans synchronisation

Considérez cet exemple:

 // Variables partagées
int data = 0;
Boolean Ready = false;

// Fil 1
données = 1;
Ready = true;

// Fil 2
tandis que (! prêt) {}
System.out.println (données);

Vous pourriez vous attendre à ce que cela imprime 1 . Mais sans synchronisation , rien ne garantit que le thread 2 verra jamais la valeur mise à jour de ready , ou que lorsqu'il le fera, il verra les data mises à jour.

Pourquoi?

• Le compilateur ou le processeur peut réorganiser les écritures dans le thread 1 ( ready = true avant data = 1 ).
• Le thread 2 pourrait se mettre ready dans un registre et ne jamais le relire.
• Même si ready devient true , data peuvent toujours être 0 en raison du manque de visibilité.

C'est là que le JMM intervient - il dit: à moins que vous n'utilisiez des mécanismes de synchronisation définis par le modèle, vous n'obtenez aucune garantie de visibilité .

Comment la synchronisation offre des garanties

Le JMM vous donne des outils pour établir des relations. Voici comment différentes constructions aident:

1. Blocs synchronized

L'utilisation synchronized assure:

• Exclusion mutuelle.
• Visibilité: toutes les écritures avant de libérer un verrou sont visibles pour tout fil qui acquiert le même verrou.

 synchronisé (this) {
    données = 1;
    Ready = true;
}
// Déverrouiller → Toutes les écritures antérieures visibles au prochain bloc synchronisé

2. Variables volatile

Déclarer un volatile variable garantit:

• Les lectures et les écritures sont directement à / depuis la mémoire principale (pas de mise en cache locale).
• Pas de réorganisation des opérations autour de l'accès volatil (via les barrières de mémoire).
• Écrivez-vous avant la lecture ultérieure.

Utilisez volatile lorsque vous avez besoin de visibilité mais pas d'atomicité (par exemple, les drapeaux).

3. Champs final et publication sûre

Le JMM donne un traitement spécial aux champs final . Si un objet est correctement construit (c'est-à-dire que this ne s'échappe pas pendant la construction), alors:

• Une fois qu'un thread voit une référence à l'objet, il voit également les valeurs correctement initialisées de ses champs final .
• Cela permet une publication sûre sans synchronisation supplémentaire.

 classe publique ImmutableObject {
    Valeur int finale;
    public ImmutableObject (Int Value) {
        this.value = valeur; // Visible garanti
    }
}

C'est pourquoi les objets immuables sont par défaut par défaut lorsqu'ils sont publiés en toute sécurité.

Idées fausses courantes

• "La synchronisation est uniquement pour l'atomicité" → Non. C'est aussi pour la visibilité et la commande.
• "64 bits écrit (long / double) sont toujours atomiques" → seulement sinon volatile . Le JMM leur permet d'être divisé sans volatile .
• "Les variables locales n'ont pas besoin de synchronisation" → vrai pour les habitants, mais s'ils font référence à l'état mutable partagé, les données ont encore besoin de protection.

Plats à emporter

Pour écrire le code Java concurrent correct:

• Utilisez toujours une synchronisation appropriée lors du partage des données entre les threads.
• Préférez les utilitaires de concurrence de niveau supérieur ( java.util.concurrent ) par rapport à synchronized brute ou volatile lorsque cela est possible.
• Utilisez volatile pour les drapeaux d'état simples.
• Utilisez les champs final pour simplifier la sécurité des filetages dans des objets immuables.
• Comprenez qu'aucune synchronisation = aucune garantie de visibilité , même si le code «semble fonctionner» dans les tests.

Le modèle de mémoire Java n'est pas seulement académique - c'est le fondement de la concurrence fiable en Java. Bien que vous n'ayez pas besoin de mémoriser chaque règle, savoir comment les fonctions de fonctionnement vous permet de raisonner de l'exactitude et d'éviter les bogues subtils qui n'apparaissent que sous une charge lourde ou sur certains matériels.

Fondamentalement: si vous partagez des données sur les threads, assurez-vous qu'il y a un lien en passant entre l'écriture et la lecture - sinon, vous codiez par chance.

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