Introdução

O Modelo de Memória Java (JMM) é um aspecto fundamental, mas muitas vezes mal compreendido, da programação simultânea em Java. Introduzido no Java 5, o JMM define como os threads interagem com a memória, garantindo consistência e previsibilidade em programas multithread. Neste artigo, mergulharemos nas profundezas do JMM, exploraremos seus principais conceitos e examinaremos como ele afeta o desenvolvimento simultâneo de aplicativos Java.

Conceitos fundamentais do JMM

1. Visibilidade

Visibilidade diz respeito a garantir que uma alteração feita por um thread seja visível para outros threads. Sem mecanismos adequados, um thread pode ocultar suas alterações de outros threads indefinidamente devido a otimizações do compilador ou da CPU.

2. Agendamento

Programação refere-se à ordem em que as instruções são executadas. O JMM permite certas reordenações por motivos de desempenho, mas também garante certas ordens para manter a semântica do programa.

3. Atomicidade

A atomicidade garante que uma operação seja realizada em uma única etapa indivisível, sem possível interferência de outras threads.

Mecanismos principais do JMM

1. Acontece antes do relacionamento

Esta é a base do JMM. Se uma ação A "acontece antes" de uma ação B, então os efeitos de A são garantidos como visíveis para B. Esse relacionamento é transitivo e forma a base da sincronização em Java.

2. Volátil

A palavra-chave volátil garante que as alterações sejam visíveis entre threads. Uma leitura de uma variável volátil sempre verá a última gravação realizada nessa variável.

3. Sincronizado

Os blocos e métodos sincronizados estabelecem relacionamentos antes do acontecimento entre threads que adquirem e liberam o mesmo monitor.

4. Final

inicializados corretamente finais têm garantia de visibilidade para todos os threads sem sincronização adicional.

Implicações práticas

1. Bloqueio verificado duas vezes

O padrão de bloqueio verificado duas vezes foi quebrado antes do Java 5 devido a problemas de visibilidade. O JMM corrigiu esse problema, permitindo seu uso correto com volátil.

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. Publicando objetos

A publicação segura de objetos é crucial para evitar problemas de visibilidade parcial. O JMM garante que se um objeto for publicado corretamente (por exemplo, através de um campo volátil ou de uma classe thread-safe), todos os seus campos estarão visíveis.

3. Reorganização de instruções

O JMM permite certas reorganizações que podem surpreender os desenvolvedores.
Por exemplo:

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

Pode ser reorganizado para:

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

A menos que estas instruções estejam cercadas por barreiras de tempo apropriadas.

Conclusão

O modelo de memória Java é um aspecto crucial da programação simultânea em Java. Embora complexo, entendê-lo é essencial para escrever código simultâneo correto e eficiente. Ao dominar os conceitos de visibilidade, agendamento e atomicidade, bem como mecanismos como acontece antes, volátil e sincronizado, os desenvolvedores podem criar aplicativos multithread robustos e eficientes.
Contudo, é importante notar que mesmo com uma boa compreensão do JMM, a programação simultânea continua a ser um desafio. Usar abstrações de alto nível como aquelas fornecidas pelo pacote java.util.concurrent muitas vezes pode simplificar o desenvolvimento e ainda aproveitar as vantagens das garantias JMM.