Introducción

El modelo de memoria Java (JMM) es un aspecto fundamental, pero a menudo mal entendido, de la programación concurrente en Java. Introducido con Java 5, JMM define cómo interactúan los subprocesos con la memoria, lo que garantiza coherencia y previsibilidad en programas multiproceso. En este artículo, profundizaremos en JMM, exploraremos sus conceptos clave y examinaremos cómo afecta el desarrollo concurrente de aplicaciones Java.

Conceptos fundamentales de JMM

1. Visibilidad

La visibilidad se refiere a garantizar que un cambio realizado por un hilo sea visible para otros hilos. Sin los mecanismos adecuados, un subproceso puede ocultar sus cambios a otros subprocesos indefinidamente debido a optimizaciones del compilador o de la CPU.

2. Programación

La programación se refiere al orden en que se ejecutan las instrucciones. El JMM permite ciertos reordenamientos por motivos de rendimiento, pero también garantiza ciertos pedidos para mantener la semántica del programa.

3. Atomicidad

La atomicidad garantiza que una operación se realiza en un solo paso indivisible, sin posible interferencia de otros hilos.

Mecanismos claves del JMM

1. Sucede antes de la relación

Esta es la base del JMM. Si una acción A "sucede antes" de una acción B, entonces se garantiza que los efectos de A serán visibles para B. Esta relación es transitiva y forma la base de la sincronización en Java.

2. Volátil

La palabra clave volatile garantiza que los cambios sean visibles entre los hilos. Una lectura de una variable volátil siempre verá la última escritura realizada en esa variable.

3. Sincronizado

Los bloques y métodos sincronizados establecen relaciones de ocurrencia anterior entre subprocesos que adquieren y liberan el mismo monitor.

4. Final

Se garantiza que los campos final inicializados correctamente serán visibles para todos los hilos sin sincronización adicional.

Implicaciones prácticas

1. Bloqueo doblemente verificado

El patrón de bloqueo de doble verificación no funcionaba antes de Java 5 debido a problemas de visibilidad. El JMM solucionó este problema, permitiendo su uso correcto con 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. Publicar objetos

La publicación segura de objetos es crucial para evitar problemas de visibilidad parcial. El JMM garantiza que si un objeto se publica correctamente (por ejemplo, mediante un campo volátil o una clase segura para subprocesos), todos sus campos serán visibles.

3. Reorganización de instrucciones

El JMM permite ciertas reorganizaciones que pueden sorprender a los desarrolladores.
Por ejemplo:

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

Se puede reorganizar para:

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

A menos que estas instrucciones estén rodeadas de barreras de tiempo apropiadas.

Conclusión

El modelo de memoria Java es un aspecto crucial de la programación concurrente en Java. Aunque es complejo, comprenderlo es esencial para escribir código concurrente correcto y eficiente. Al dominar los conceptos de visibilidad, programación y atomicidad, así como mecanismos como sucede antes, volátil y sincronizado, los desarrolladores pueden crear aplicaciones multiproceso sólidas y eficientes.
Sin embargo, es importante señalar que incluso con una buena comprensión de JMM, la programación concurrente sigue siendo un desafío. El uso de abstracciones de alto nivel como las proporcionadas por el paquete java.util.concurrent a menudo puede simplificar el desarrollo y al mismo tiempo aprovechar las garantías de JMM.