Привет, Хабр!

Сегодня мы рассмотрим интересную тему для тех, кто сталкивается с многопоточностью в Java – это управление порядком памяти. Базовых инструментов синхронизации, например как synchronized или блокировки, порой недостаточно. Именно здесь могут помочь низкоуровневые механизмы, такие как Memory Fences и ключевое слово volatile.

Эти инструменты позволяют контролировать порядок выполнения операций с памятью. В этой статье мы рассмотрим, как volatile влияет на поведение программы, что такое Memory Fences, и как они могут помочь в сложных ситуациях с потоками.

volatile

Ключевое слово volatile используется при объявлении переменных и сообщает JVM, что значение этой переменной может быть изменено разными потоками. Синтаксис прост:

public class VolatileExample {
    private volatile int counter;
    // остальные методы
}

Размещение volatile перед типом переменной гарантирует, что все потоки будут видеть актуальное значение counter.

Примитивные типы

Для примитивных типов использование volatile дает:

Видимость изменений: Если один поток изменяет значение volatile переменной, другие потоки сразу увидят это изменение.
Запрет переупорядочивания: Компилятор и процессор не будут переупорядочивать операции чтения и записи с volatile переменными.

Пример:

public class FlagExample {
    private volatile boolean isActive;

    public void activate() {
        isActive = true;
    }

    public void process() {
        while (!isActive) {
            // Ждем активации
        }
        // Продолжаем обработку
    }
}

Объекты

При использовании с объектами volatile обеспечивает видимость изменения ссылки на объект, но не его внутреннего состояния.

Пример:

public class ConfigUpdater {
    private volatile Config config;

    public void updateConfig() {
        config = new Config(); // Новая ссылка будет видна всем потокам
    }

    public void useConfig() {
        Config localConfig = config;
        // Используем localConfig
    }
}

Если внутреннее состояние объекта может меняться, необходимо обеспечить его потокобезопасность другими способами, например, через неизменяемые объекты или синхронизацию.

Как volatile влияет на чтение и запись переменных

Ключевое слово volatile влияет на взаимодействие потоков с переменной следующим образом:

Чтение: Каждый раз при обращении к volatile переменной поток читает ее актуальное значение из основной памяти, а не из кеша процессора.
Запись: При изменении volatile переменной ее новое значение сразу записывается в основную память, делая его доступным для других потоков.

Пример без volatile:

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

В многопоточной среде разные потоки могут работать с устаревшим значением count, так как оно может быть закешировано.

Пример с volatile:

public class VolatileCounter {
    private volatile int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

Теперь каждый поток будет работать с актуальным значением count.

Однако будьте осторожны: операция count++ не является атомарной, даже с volatile. Для атомарности используйте AtomicInteger.

Ограничения volatile

Отсутствие атомарности сложных операций
volatile не делает операции атомарными. Операции инкремента count++, декремента и другие сложные операции могут приводить к состояниям гонки.
Пример проблемы:
```
public class NonAtomicVolatile {
    private volatile int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }
}
```
Здесь count++ состоит из чтения, увеличения и записи, которые могут быть прерваны другими потоками.
Не обеспечивает синхронизацию доступа
volatile не заменяет блоки synchronized или объекты Lock. Он не предотвращает одновременный доступ нескольких потоков к блоку кода.

Примеры использования

Флаги остановки потоков

В серверных приложениях или службах часто возникает необходимость корректно остановить поток или задачу, например, при завершении работы приложения или при изменении настроек.

public class Worker implements Runnable {
    private volatile boolean isRunning = true;

    @Override
    public void run() {
        while (isRunning) {
            // Выполняем задачи
            performTask();
        }
    }

    public void stop() {
        isRunning = false;
    }

    private void performTask() {
        // Реализация задачи
    }
}

Почему volatile: Переменная isRunning используется для контроля цикла выполнения потока. Без volatile поток может не увидеть изменения переменной, сделанные другим потоком, из-за кеширования переменных на уровне процессора.

Метод stop() может быть вызван из другого потока, устанавливая isRunning в false. Благодаря volatile текущий поток немедленно увидит это изменение и корректно завершит работу.

Двойная проверка инициализации Singleton

Допустим, нужно создать ленивую =инициализацию Singleton без потерь производительности из-за избыточной синхронизации:

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        // Инициализация ресурсов
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // Первая проверка (без синхронизации)
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // Вторая проверка (с синхронизацией)
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

Без volatile возможно переупорядочивание инструкций, при котором другой поток может увидеть частично сконструированный объект instance.

volatile гарантирует, что запись в instance происходит только после полной инициализации объекта, и все последующие чтения увидят актуальное состояние.

Кэширование конфигурации с мгновенным обновлением

В приложениях, где конфигурационные параметры могут динамически обновляться, необходимо сделать так, чтобы все рабочие потоки сразу получали актуальные настройки без необходимости перезапуска:

public class ConfigurationManager {
    private volatile Config currentConfig;

    public ConfigurationManager() {
        // Инициализируем конфигурацию по умолчанию
        currentConfig = loadDefaultConfig();
    }

    public Config getConfig() {
        return currentConfig;
    }

    public void updateConfig(Config newConfig) {
        currentConfig = newConfig;
    }

    private Config loadDefaultConfig() {
        // Загрузка конфигурации по умолчанию
        return new Config(...);
    }
}

public class Worker implements Runnable {
    private ConfigurationManager configManager;

    public Worker(ConfigurationManager configManager) {
        this.configManager = configManager;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            Config config = configManager.getConfig();
            // Используем актуальную конфигурацию
            process(config);
        }
    }

    private void process(Config config) {
        // Обработка с использованием текущей конфигурации
    }
}

Переменная currentConfig может быть обновлена одним потоком (например, при изменении настроек администратором) и должна быть немедленно видна другим потокам, выполняющим задачи.

При обновлении конфигурации методом updateConfig новое значение currentConfig становится сразу доступным для всех рабочих потоков благодаря volatile.

Использование для одноразовых событий

Частенько volatile используется для сигнализации о наступлении определенного события, после которого необходимо изменить поведение приложения:

public class EventNotifier {
    private volatile boolean eventOccurred = false;

    public void waitForEvent() {
        while (!eventOccurred) {
            // Ожидание события
        }
        // Реакция на событие
    }

    public void triggerEvent() {
        eventOccurred = true;
    }
}

Используйте volatile для простых флагов состояния и публикации неизменяемых объектов. Избегайте сложных операций с volatile переменными без дополнительной синхронизации.

Переходим к следующей теме статьи – Memory Fences

Memory Fences

Memory Fence — это механизм, который предотвращает переупорядочивание операций чтения и записи памяти компилятором или процессором. Это означает, что операции, связанные с памятью, будут выполняться в ожидаемом порядке.

Типы Memory Fences:

LoadLoad Barrier: Гарантирует, что все операции чтения до барьера будут завершены до начала любых операций чтения после барьера.
StoreStore Barrier: Гарантирует, что все операции записи до барьера будут завершены до начала любых операций записи после барьера.
LoadStore Barrier: Гарантирует, что все операции чтения до барьера будут завершены до начала любых операций записи после барьера.
StoreLoad Barrier: Гарантирует, что все операции записи до барьера будут завершены до начала любых операций чтения после барьера. Это самый "сильный" барьер.

Java имеет несколько средств для управления барьерами памяти:

Ключевое слово volatile
Классы из пакета java.util.concurrent.atomic
Класс Unsafe (с осторожностью)
VarHandle

Рассмотрим их подробнее.

Классы из пакета java.util.concurrent.atomic

Пакет java.util.concurrent.atomic содержит классы, предоставляющие атомарные операции над переменными разных типов:

AtomicInteger
AtomicLong
AtomicReference
AtomicBoolean
И другие

Эти классы используют низкоуровневые примитивы синхронизации.

Пример использования AtomicInteger:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicCounter {
    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        counter.incrementAndGet(); // Атомарное увеличение значения на 1
    }

    public int getValue() {
        return counter.get(); // Атомарное получение текущего значения
    }
}

Методы Unsafe

Класс sun.misc.Unsafe предоставляет низкоуровневые операции над памятью, включая методы для установки барьеров памяти.

Класс Unsafe является внутренним API и не предназначен для общего использования. Его использование может привести к непереносимому коду и потенциальным ошибкам.

В Java 9 и выше доступ к Unsafe ограничен модульной системой.

Однако для образовательных целей рассмотрим пример:

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class UnsafeMemoryFenceExample {
    private static final Unsafe unsafe;

    static {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("Не удалось получить доступ к Unsafe", e);
        }
    }

    public void storeLoadFence() {
        unsafe.storeFence(); // Применение StoreStore Barriers
        // Ваш код
        unsafe.loadFence(); // Применение LoadLoad Barriers
    }
}

Используйте Unsafe только если полностью понимаете риски и альтернатив нет.

Рекомендуется использовать VarHandle или высокоуровневые классы из java.util.concurrent.

Примеры использования Memory Fences для синхронизации потоков

Реализация неблокирующего счетчика с AtomicLong:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public class NonBlockingCounter {
    private AtomicLong counter = new AtomicLong(0);

    public void increment() {
        counter.getAndIncrement(); // Атомарное увеличение значения
    }

    public long getValue() {
        return counter.get();
    }
}

AtomicReference для реализации неблокирующего стека:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class LockFreeStack<T> {
    private AtomicReference<Node<T>> head = new AtomicReference<>(null);

    private static class Node<T> {
        final T value;
        final Node<T> next;

        Node(T value, Node<T> next) {
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }

    public void push(T value) {
        Node<T> newHead;
        Node<T> oldHead;

        do {
            oldHead = head.get();
            newHead = new Node<>(value, oldHead);
        } while (!head.compareAndSet(oldHead, newHead));
    }

    public T pop() {
        Node<T> oldHead;
        Node<T> newHead;

        do {
            oldHead = head.get();
            if (oldHead == null) {
                return null; // Стек пуст
            }
            newHead = oldHead.next;
        } while (!head.compareAndSet(oldHead, newHead));

        return oldHead.value;
    }
}

VarHandle — современный подход к Memory Fences

Начиная с Java 9, был введен VarHandle как более мощная альтернатива Atomic классам и Unsafe.

Фичи VarHandle:

Позволяет выполнять операции с разными уровнями гарантий памяти.
Более гибкий и безопасный по сравнению с Unsafe.

Пример использования VarHandle:

import java.lang.invoke.MethodHandles;
import java.lang.invoke.VarHandle;

public class VarHandleExample {
    private int value = 0;
    private static final VarHandle VALUE_HANDLE;

    static {
        try {
            VALUE_HANDLE = MethodHandles.lookup().findVarHandle(VarHandleExample.class, "value", int.class);
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public void setValue(int newValue) {
        VALUE_HANDLE.setRelease(this, newValue); // Обеспечивает StoreStore Barrier
    }

    public int getValue() {
        return (int) VALUE_HANDLE.getAcquire(this); // Обеспечивает LoadLoad Barrier
    }
}

Реализация простого счетчика с VarHandle:

import java.lang.invoke.MethodHandles;
import java.lang.invoke.VarHandle;

public class VarHandleCounter {
    private int count = 0;
    private static final VarHandle COUNT_HANDLE;

    static {
        try {
            COUNT_HANDLE = MethodHandles.lookup().findVarHandle(VarHandleCounter.class, "count", int.class);
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public void increment() {
        int prevValue;
        do {
            prevValue = (int) COUNT_HANDLE.getVolatile(this);
        } while (!COUNT_HANDLE.compareAndSet(this, prevValue, prevValue + 1));
    }

    public int getCount() {
        return (int) COUNT_HANDLE.getVolatile(this);
    }
}

Заключение

Правильное применение volatile и Memory Fences позволяет создавать эффективные и надежные многопоточные приложения.

Сегодня вечером пройдет открытый урок, посвященный определению областей действия переменных (Scopes) в Java. На этом занятии на практических примерах рассмотрим, как области действия переменных влияют на поведение программы и как их правильно использовать. Если тема актуальна — записывайтесь по ссылке.

Memory Fences и volatile в Java: низкоуровневые гарантии порядка памяти