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.
При работе с обычными переменными компилятор имеет больше пространства для маневра. Например, при благоприятных обстоятельствах может оказаться
