Чистый код. Создание, анализ и рефакторинг

В простейшем случае с одной строкой кода Java, эквивалентной восьми инструкциям байт-кода, и двумя программными потоками общее количество возможных путей выполнения равно 12 870. Если переменная lastIdUsed будет относиться к типу long, то каждая операция чтения/записи преобразуется в две инструкции вместо одной, а количество путей выполнения достигает 2,704,156.

Что произойдет, если внести в метод единственное одно изменение?

public synchronized void incrementValue() {

    ++lastIdUsed;

}

В этом случае количество возможных путей выполнения сократится до 2 для 2 потоков или до N! в общем случае.

Копаем глубже

А как же удивительный результат, когда два потока вызывают метод по одному разу (до добавления synchronized), получая одинаковое число? Как такое возможно? Начнем с начала.

Атомарной операцией называется операция, выполнение которой не может быть прервано. Например, в следующем коде строка 5, где переменной lastid присваивается значение 0, является атомарной операцией, поскольку в соответствии с моделью памяти Java присваивание 32-разрядного значения прерываться не может.

01: public class Example {

02:    int lastId;

03:

04:    public void resetId() {

05:        value = 0;

06:    }

07:

08:    public int getNextId() {

09:        ++value;

10:    }

11:}

Что произойдет, если изменить тип lastId с int на long? Останется ли строка 5 атомарной? В соответствии со спецификацией JVM – нет. Она может выполняться как атомарная операция на конкретном процессоре, но по спецификации JVM присваивание 64-разрядной величины требует двух 32-разрядных присваивания. Это означает, что между первым и вторым 32-разрядным присваиванием другой поток может вмешаться и изменить одно из значений.

А оператор префиксного увеличения ++ в строке 9? Выполнение этого оператора может быть прервано, поэтому данная операция не является атомарной. Чтобы понять, как это происходит, мы подробно проанализируем байт-код обоих методов.

Прежде чем двигаться дальше, необходимо усвоить ряд важных определений:

Кадр (frame) – для каждого вызова метода создается кадр с адресом возврата, значениями всех передаваемых параметров и локальных переменных, определяемых в методе. Это стандартный способ реализации стека вызовов, используемого в современных языках для вызова функций/методов – как обычного, так и рекурсивного.

Локальная переменная – любая переменная, определяемая в области видимости метода. Все нестатические методы содержат как минимум одну переменную this, которая представляет текущий объект, то есть объект, получивший последнее сообщение (в текущем потоке), инициировавшее вызов метода.

Стек операндов – многим инструкциям JVM передаются параметры. Их значения размещаются в стеке операндов, реализованном в виде стандартной структуры данных LIFO (Last-In, First-Out, то есть «последним пришел, первым вышел»).

Байт-код, сгенерированный для resetId(), выглядит так.

Мнемоника	Описание	Состояние стека операндов после выполнения
ALOAD 0	Загрузка «нулевой» переменной в стек операндов. Что такое «нулевая» переменная? Это this, текущий объект. При вызове метода получатель сообщения, экземпляр Example, сохраняется в массиве локальных переменных кадра, созданного для вызова метода. Текущий объект всегда является первой сохраняемой переменной для каждого метода экземпляра	this
ICONST_0	Занесение константы 0 в стек операндов	this, 0
PUTFIELD lastId	Сохранение верхнего значения из стека (0) в поле объекта, который задается ссылкой, хранящейся на один элемент ниже вершины стека (this)	<пусто>

Эти три инструкции заведомо атомарны. Хотя программный поток, в котором они выполняются, может быть прерван после выполнения любой инструкции, данные инструкции PUTFIELD (константа 0 на вершине стека и ссылка на this в следующем элементе, вместе со значением поля value) не могут быть изменены другим потоком. Таким образом, при выполнении присваивания в поле value будет гарантированно сохранено значение 0. Операция является атомарной. Все операнды относятся к информации, локальной для данного метода, что исключает нежелательное вмешательство со стороны других потоков.