Einführung

Das Java Memory Model (JMM) ist ein grundlegender, aber oft missverstandener Aspekt der gleichzeitigen Programmierung in Java. Das mit Java 5 eingeführte JMM definiert, wie Threads mit dem Speicher interagieren und sorgt so für Konsistenz und Vorhersagbarkeit in Multithread-Programmen. In diesem Artikel tauchen wir in die Tiefen von JMM ein, erkunden seine Schlüsselkonzepte und untersuchen, wie es sich auf die gleichzeitige Java-Anwendungsentwicklung auswirkt.

Grundlegende JMM-Konzepte

1. Sichtweite

Sichtbarkeit betrifft die Sicherstellung, dass eine von einem Thread vorgenommene Änderung für andere Threads sichtbar ist. Ohne geeignete Mechanismen kann ein Thread seine Änderungen aufgrund von Compiler- oder CPU-Optimierungen auf unbestimmte Zeit vor anderen Threads verbergen.

2. Terminplanung

Scheduling bezieht sich auf die Reihenfolge, in der Anweisungen ausgeführt werden. Das JMM erlaubt aus Leistungsgründen bestimmte Neuordnungen, garantiert aber auch bestimmte Reihenfolgen, um die Programmsemantik beizubehalten.

3. Atomarität

Atomizität garantiert, dass eine Operation in einem einzigen unteilbaren Schritt ausgeführt wird, ohne mögliche Störungen durch andere Threads.

Schlüsselmechanismen des JMM

1. Passiert vor der Beziehung

Dies ist die Grundlage des JMM. Wenn eine Aktion A „vor“ einer Aktion B stattfindet, sind die Auswirkungen von A garantiert für B sichtbar. Diese Beziehung ist transitiv und bildet die Grundlage der Synchronisierung in Java.

2. Flüchtig

Das Schlüsselwort volatile stellt sicher, dass Änderungen zwischen Threads sichtbar sind. Beim Lesen einer flüchtigen Variablen wird immer der letzte Schreibvorgang angezeigt, der für diese Variable ausgeführt wurde.

3. Synchronisiert

Die synchronisierten Blöcke und Methoden stellen Vorher-Beziehungen zwischen Threads her, die denselben Monitor abrufen und freigeben.

4. Finale

Ordnungsgemäß initialisierte finale Felder sind garantiert für alle Threads ohne zusätzliche Synchronisierung sichtbar.

Praktische Auswirkungen

1. Doppelt überprüfte Sperre

Das doppelt überprüfte Sperrmuster wurde vor Java 5 aufgrund von Sichtbarkeitsproblemen unterbrochen. Das JMM hat dieses Problem behoben und ermöglicht die korrekte Verwendung mit volatile.

class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2. Objekte veröffentlichen

Eine sichere Objektveröffentlichung ist von entscheidender Bedeutung, um Probleme mit der teilweisen Sichtbarkeit zu vermeiden. Das JMM garantiert, dass bei korrekter Veröffentlichung eines Objekts (z. B. über ein flüchtiges Feld oder eine Thread-sichere Klasse) alle seine Felder sichtbar sind.

3. Neuordnung der Anweisungen

Das JMM erlaubt bestimmte Umstrukturierungen, die Entwickler überraschen könnten.
Zum Beispiel:

int a, b;
a = 1;
b = 2;

Kann neu angeordnet werden zu:

int a, b;
b = 2;
a = 1;

Es sei denn, diese Anweisungen sind von entsprechenden Zeitbarrieren umgeben.

Abschluss

Das Java-Speichermodell ist ein entscheidender Aspekt der gleichzeitigen Programmierung in Java. Obwohl es komplex ist, ist es wichtig, es zu verstehen, um korrekten und effizienten gleichzeitigen Code zu schreiben. Durch die Beherrschung der Konzepte Sichtbarkeit, Planung und Atomizität sowie von Mechanismen wie „Vorhergehend“, „Volatil“ und „Synchronisiert“ können Entwickler robuste und effiziente Multithread-Anwendungen erstellen.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die gleichzeitige Programmierung auch bei guten JMM-Kenntnissen eine Herausforderung bleibt. Die Verwendung von Abstraktionen auf hoher Ebene, wie sie vom Paket java.util.concurrent bereitgestellt werden, kann die Entwicklung oft vereinfachen und gleichzeitig die Vorteile von JMM-Garantien nutzen.