Многопоточное программирование в Java

Атомарные действия не могут перемешиваться, поэтому их можно использовать, не опасаясь интерференции потоков.

Однако это не устраняет необходимости синхронизации атомарных действий, так как возможны ошибки согласованности памяти.

В целях повышения производительности среда выполнения JRE сохраняет локальные копии переменных для каждого потока, который на них ссылается.

Такие «локальные» копии переменных работают как кэш и помогают потоку избежать обращения к главной памяти каждый раз, когда требуется получить значение переменной.

Поэтому если один поток изменит значение переменной, то другой поток может не увидеть это изменение, так как будет считывать значение из своего кэша. Это и будет ошибкой согласованности памяти

Однако если переменная помечена как volatile, то, когда бы поток не считывал значение, он будет считывать ее текущее значение.

Использование volatile переменных, не только для long и double, снижает риск ошибок согласованности памяти, поскольку любая запись в volatile переменную устанавливает связь между событиями и последующими чтениями этой же переменной.

Это означает, что изменения в volatile переменной всегда видны для других потоков.

Опять же речь идет только об операциях чтения и записи.

Резюмируя, объявление блока кода синхронным обеспечивает для кода атомарность и видимость.

Атомарность значит, что только один поток одновременно может выполнять код, защищенный данным объектом-монитором (блокировкой), позволяя предотвратить многочисленные потоки от столкновений друг с другом во время обновления общего состояния.

Видимость связана с особенностями кэширования памяти и оптимизацией программы в процессе компилирования.

Обычно потоки могут свободно кэшировать значения для переменных так, чтобы они не обязательно сразу же были бы видны другим потокам, но, если разработчик использовал синхронизацию, во время выполнения будет проверяться, что обновления переменных, выполненные одним потоком до выхода из синхронизированного блока, сразу же будут видны другому потоку, когда он будет входить в синхронизированный блок, защищенный тем же монитором (блокировкой).

Подобное правило видимости существует и для переменных volatile.

Живучесть Liveness

Теперь, давайте рассмотрим фундаментальное свойство корректности многопоточных программ, которое называется LIVENESS или живучесть.

Когда вы пишете не многопоточную, а последовательную программу, и в ней есть ошибка, вы запускаете ее, и на экране ничего не появляется.

Вы ждете, а затем выясняете, например, что у вас в коде есть бесконечный цикл.

И тогда вы исправляете ошибку.

К сожалению, в многопоточных программах есть много других способов получить этот эффект пустого экрана.

Один из них – это DEADLOCK или взаимная блокировка.

Это мы уже видели в случае операции join.

Если два потока соединяются друг с другом, они создают цикл взаимоблокировки, и по этой причине программа не завершается.

Это не бесконечный цикл в обычном понимании, это два потока, заблокированных друг от друга на неопределенный срок.

Существуют и другие способы получения взаимоблокировки.

Например, если поток T1 выполняет синхронизированную операцию на объекте A и вложенную синхронизированную операцию на объекте B, а поток T2 выполняет синхронизированную операцию на объекте B и вложенную синхронизированную операцию на объекте A, мы получаем другую форму взаимоблокировки.

Поток T1 может получить монитор объекта A одновременно с тем, что поток T2 получит монитор объекта B, а затем каждый поток будет ожидать монитора В и А соответственно неопределенный срок.

Одним из лучших способов предотвращения взаимоблокировки – это избегать одновременного получения более одного монитора.

Еще одно нарушение живучести, это LIVELOCK или динамическая взаимоблокировка.

В livelock потоки не блокируются, но они находятся в режиме, в котором их выполнение не продвигается дальше, это похоже на пат в шахматной игре.

Например, если у нас есть объект, скажем, изменяемая целочисленная переменная x, и у нас есть два потока.

Поток T1 в цикле увеличивает x, затем читает значение x и продолжает делать это, пока х меньше 2.

А поток T2 в цикле уменьшает значение x, затем читает значение x и продолжает делать это, пока х больше -2.

Возможна ситуация, при которой поток T1 получает x = 1, но прежде чем он получит шанс увеличить x и достичь x = 2, поток T2 уменьшает x, противодействуя тому, что делает T1.

И делает x = -1.

Но до того, как поток T2 получит шанс уменьшить х до -2, поток T1 может снова увеличить x до 1.

И так до бесконечности.

Таким образом, значение х может двигаться вперед и назад, как непрерывный бесконечный пинг-понг.

Теперь третий вид проблемы с живучестью, называется STARVATION или голодание.

Starvation возникает, когда какой-либо поток не может получить доступ к общим ресурсам и не может быть выполнен в результате, например, синхронизированного доступа к этому ресурсу другими потоками, выполнение которых занимает долгое время.

В результате этот поток голодает.

Паттерн защищенный блок Guarded Block

Предположим у нас есть задача написать приложение Producer-Consumer.

Это приложение состоит из двух потоков – производителя, который создает данные, и потребителя, который что-то делает с этими данными.