Философия Java3 - Брюс Эккель

Хотя try-finally требует большего объема кода, чем ключевое слово synchronized, явное использование объектов Lock обладает своими преимуществами. При возникновении проблем с ключевым словом synchronized происходит исключение, но вы не получите возможность выполнить завершающие действия, чтобы сохранить корректное состояние системы. При работе с объектами Lock можно сделать все необходимое в секции finally.

В общем случае использование synchronized уменьшает объем кода, а также радикально снижает вероятность ошибки со стороны программиста, поэтому явные операции с объектами Lock обычно выполняются только при решении особых задач. Например, с ключевым словом synchronized нельзя попытаться получить блокировку с неудачным исходом или попытаться получить блокировку в течение некоторого промежутка времени с последующим отказом — в подобных случаях приходится использовать библиотеку concurrent:

//: concurrency/AttemptLocking java

// Объекты Lock из библиотеки concurrent делают возможными

// попытки установить блокировку в течение некоторого времени

import java.util.concurrent *;

import java util concurrent.locks.*;

public class AttemptLocking {

private ReentrantLock lock = new ReentrantLockO;

public void untimedO {

boolean captured = lock.tryLockO, try {

System.out printlnCtryLockO: " + captured); } finally {

if(captured)

lock unlockO;

}

}

public void timedO {

boolean captured = false; try {

captured = lock tryLock(2, TimeUnit SECONDS); } catch(InterruptedException e) {

throw new RuntimeException(e);

}

try {

System out println("tryLock(2. TimeUnit SECONDS): " +

captured),

} finally {

if(captured)

lock unlockO,

}

}

public static void main(String[] args) {

final AttemptLocking al = new AttemptLocking(),

al untimedO. // True -- блокировка доступна al timedO. // True -- блокировка доступна // Теперь создаем отдельную задачу для установления блокировки new ThreadO {

{ setDaemon(true), } public void run() {

al lock lockO.

System.out printlnC'acquired");

}

} startO,

Thread yieldO, // Даем возможность 2-й задаче al untimedO; // False -- блокировка захвачена задачей al.timedO. // False -- блокировка захвачена задачей

}

} /* Output-tryLockO. true

tryLock(2, TimeUnit.SECONDS): true acquired

tryLockO false

tryLock(2, TimeUnit SECONDS)- false */// ~

Класс ReentrantLock делает возможной попытку получения блокировки с последующим отказом от нее. Таким образом, если кто-то уже захватил блокировку, вы можете отказаться от своих намерений (вместо того, чтобы дожидаться ее освобождения). В методе timed() делается попытка установления блокировки, которая может завершиться неудачей через 2 секунды (обратите внимание на использование класса Java SE5 TimeUnit для определения единиц времени). В main() отдельный объект Thread создается в виде безымянного класса и устанавливает блокировку, чтобы методы untimed() и timed() могли с чем-то конкурировать.

Атомарные операции и ключевое слово volatile

В дискуссиях, посвященных механизму потоков в Java, часто можно услышать такое утверждение: «Атомарные операции не требуют синхронизации». Атомарная операция — это операция, которую не может прервать планировщик потоков — если она начинается, то продолжается до завершения, без возможности переключения контекста (переключения выполнения на другой поток). Не полагайтесь на атомарность, она ненадежна и опасна — используйте ее вместо синхронизации только в том случае, если вы являетесь экспертом в области синхронизации или, по крайней мере, можете получить помощь от такого эксперта.

Атомарные операции, упоминаемые в таких дискуссиях, включают в себя «простые операции» с примитивными типами, за исключением long и double.

Чтение и запись примитивных переменных гарантированно выполняются как атомарные (неделимые) операции. С другой стороны, JVM разрешается выполнять чтение и запись 64-разрядных величин (long и double) в виде двух раздельных 32-разрядных операций, с ненулевой вероятностью переключения контекста в ходе чтения или записи. Для достижения атомарности (при простом присваивании и возврате значений) можно определить типы long и double с модификатором volatile (учтите, что до выхода Java SE5 ключевое слово volatile не всегда работало корректно). Некоторые реализации JVM могут предоставлять более сильные гарантии, но вы не должны полагаться на платформенно-специ-фические возможности.

В многопроцессорных системах (которые в наши дни представлены многоядерными процессорами, то есть несколькими процесорами на одном чипе) видимость (visibility) играет гораздо более важную роль, чем в однопроцессорных системах. Изменения, вносимые одной задачей, — даже атомарные в смысле невозможности прерывания — могут оставаться невидимыми для других задач (например, если изменения временно хранятся в локальном кэше процессора). Таким образом, разные задачи будут по-разному воспринимать состояние приложения. Механизм синхронизации обеспечивает распространение видимости изменений, вносимых одной задачей в многопроцессорной системе, по всему приложению. Без синхронизации невозможно заранее предсказать, когда именно изменения станут видимыми.

Ключевое слово volatile обеспечивает видимость в рамках приложения. Если поле объявлено как volatile, это означает, что сразу же после записи в поле изменение будет отражено во всех последующих операциях чтения. Утверждение истинно даже при участии локальных кэшей — поля volatile немедленно записываются в основную память, и дальнейшее чтение происходит из основной памяти.

Если слепо следовать концепции атомарности, можно заметить, что метод getValue() в следующем примере вроде бы отвечает этому описанию:

//: concurrency/AtomicityTest.java

import java.util.concurrent.*;

public class AtomicityTest implements Runnable { private int i = 0; public int getValueO { return i; } private synchronized void evenIncrement О { i++, i++. } public void run() { while(true)

evenlncrementO;

}

public static void mam(String[] args) {

ExecutorService exec = Executors newCachedThreadPoolО; AtomicityTest at = new AtomicityTest(); exec execute(at). while(true) {

int val = at.getValueO; if(val % 2 != 0) {

System.out.println(val), System.exit(0);

} /* Output

191583767

*///:-

Однако программа находит нечетные значения и завершается. Хотя return i и является атомарной операцией, отсутствие synchronized позволит читать значение объекта, когда он находится в нестабильном промежуточном состоянии. Вдобавок переменная i не объявлена как volatile, а это приведет к проблемам с видимостью. Оба метода, getValue() и evenlncrement(), должны быть объявлены синхронизируемыми. Только эксперты в области параллельных вычислений могут пытаться применять оптимизацию в подобных случаях.

В качестве второго примера рассмотрим кое-что еще более простое: класс, производящий серийные номера25. Каждый раз при вызове метода nextSerialNum-ber() он должен возвращать уникальное значение:

//: concurrency/SerialNumberGeneratorJava

public class SerialNumberGenerator {

private static volatile int serial Number = 0, public static int nextSerialNumberО {

return serialNumber++; // Операция не является потоково-безопасной

}

} ///.-

Представить себе класс тривиальнее SerialNumberGenerator вряд ли можно, и если вы ранее работали с языком С++ или имеете другие низкоуровневые навыки, то, видимо, ожидаете, что операция инкремента будет атомарной, так как инкремент обычно реализуется в виде одной инструкции микропроцессора. Однако в виртуальной машине Java инкремент не является атомарным и состоит из чтения и записи, соответственно, ниша для проблем с потоками найдется даже в такой простой программе.

Поле serialNumber объявлено как volatile потому, что каждый поток обладает локальным стеком и поддерживает в нем копии некоторых локальных переменных. Если вы объявляете переменную как volatile, то тем самым указываете компилятору не проводить оптимизацию, а это приведет к удалению чтения и записи, удерживающих поле в соответствии с локальными данными потока. Операции чтения и записи осуществляются непосредственно с памятью без кэширования. Кроме того, volatile не позволяет компилятору изменять порядок обращений с целью оптимизации. И все же присутствие volatile не влияет на тот факт, что инкремент не является атомарной операцией.

Для тестирования нам понадобится множество, которое не потребует переизбытка памяти в том случае, если обнаружение проблемы отнимет много времени. Приведенный далее класс CircularSet многократно использует память, в которой хранятся целые числа (int); предполагается, что к тому моменту, когда запись в множество начинается по новому кругу, вероятность конфликта

с перезаписанными значениями минимальна. Методы add() и contains() объявлены как synchronized, чтобы избежать коллизий:

//: concurrency/SerialNumberChecker java // Кажущиеся безопасными операции с появлением потоков // перестают быть таковыми. // {Args- 4}

import java util.concurrent *;

// Reuses storage so we don't run out of memory: class CircularSet {

private int[] array: private int len; private int index = 0; public CircularSet(int size) { array = new int[size], len = size.

// Инициализируем значением, которое не производится // классом SerialNumberGenerator for(int i =0; i < size; i++) array[i] = -1;

}

public synchronized void add(int i) { array[index] = i,

// Возврат индекса к началу с записью поверх старых значений: index = ++index % len.

}

public synchronized boolean contains(int val) { for(int i = 0; i < len; i++)

if(array[i] == val) return true; return false;

public class SerialNumberChecker {

private static final int SIZE = 10; private static CircularSet serials =

new CircularSet(lOOO); private static ExecutorService exec =