Основные компоненты файла класса следующие:

Некоторая верификационная информация: "магическое число" - сигнатура файла класса, номер версии.

Флаг доступа, отображающий модификаторы, заданные в определении класса (public, final, abstract и т.д.), а также признак класса или интерфейса.

Пул констант - таблица структур, представляющих различные строковые константы - имена классов и интерфейсов, полей, методов и другие константы, на которые есть ссылки в файле класса.

Ссылки на имена this-класса и суперкласса в пуле констант.

Перечень интерфейсов, реализуемых классом (в виде ссылок в пул констант).

Описание полей класса с указанием их имен, типов, модификаторов и т.д.

Методы класса - каждый метод представляется в виде определенной структуры, в которой содержится описание метода (имя, модификаторы, и т.д.), одним из атрибутов этой структуры является массив байт-кодов метода.

Многие компоненты файла класса (пул констант, перечень интерфейсов и др.) имеют нефиксированную длину, такие компоненты предваряются 2-байтным полем, содержащим их длину.

13.3 Многопоточность и синхронизация

Java, по-видимому, является единственным универсальным языком программирования, в котором механизмы создания нитей поддерживаются встроенными средствами языка. В традиционных языках программирования (например, C) создание нитей обеспечивается системно-зависимыми библиотеками, обеспечивающими API ОС. В Java средства создания нитей системно-независимые.

В Java-программе нить представляет отдельный класс, который может быть создан

либо как подкласс (наследник) суперкласса Tread;

либо как класс, реализующий интерфейс Runnable, внутри этого класса должна быть переменная экземпляра класса - ссылка на объект класса Tread.

Суперкласс Tread и интерфейс Runnable определены в базовой библиотеке языка Java - пакете java.lang. При любом варианте создания в классе-нити должен быть реализован метод run(). Выполнение метода start() для экземпляра такого класса вызывает выполнения метода run() в отдельном потоке вычисления.

Как мы увидели в предыдущем разделе, Java VM обеспечивает для каждой нити собственную среду вычисления - собственный набор регистров и стек (в некоторых реализациях Java VM обеспечивает для нити также и собственную кучу).

Но Java VM не выполняет действий по планированию нитей на выполнение. Для этого библиотечные методы Java обращаются к ОС, используя API той ОС, в среде которой работает Java VM.

Для нитей в Java предусмотрено управление приоритетами (методы getPriority(), setPriority()), однако, и здесь Java использует механизмы управления приоритетами ОС. Так, уже классическим для учебников по Java является пример аплета, в котором по экрану "наперегонки" движутся несколько объектов, движение каждого осуществляется в отдельной нити и с собственным приоритетом. Этот пример весьма наглядно демонстрируется в средах, например, OS/2 и Linux, но выглядит не очень убедительным в среде Windows 95/98, так как приоритет нити не слишком влияет на скорость движения объекта - примерно так, как показано на рисунке 13.5.

Рисунок 13.5 "Гонки" в разных операционных средах (движение справа налево).

Любая нить может быть сделана нитью-"демоном". Нить-"демон" продолжает выполняться даже после окончания той нити, в которой она была создана. Нить становится "демоном" при ее создании только в том случае, если она создается из нити-"демона". Программа может изменить состояния нити при помощи метода setDaemon() класса Thread. Выполнение любой программы Java VM начинает с единственной нити (в которой вызывается метод main()), и эта нить запускается не как "демон". Java VM продолжает существовать, пока не завершатся все нити не-"демоны".

В языке Java имеется также класс ThreadGroup - группа нитей, которая может управляться совместно.

Если в Java предусмотрены нити, то, естественно, должны быть предусмотрены и средства синхронизации и взаимного исключения при параллельной работе нитей. Основным средством синхронизации и взаимного исключения в Java является ключевое слово synchronized, которое может употребляться перед каким-либо программным блоком. Ключевое слово synchronized определяет невозможность использования программного блока двумя или более нитей одновременно. В Java synchronized-блоки называются мониторами и их фактическая тождественность мониторам Хоара, описанным в разделе 8.8 части I, очевидна. В зависимости от деталей способа употребления synchronized может работать как:

защищенная (guard - см. раздел 8.8 части I) процедура - в том случае, если synchronized-блок представляет собой целый метод, однако, в отличие от описанных нами guard-процедур одновременное вхождение в разные synchronized-методы возможно;

анонимные скобки критической секции - в том случае, если synchronized-блок является просто программным блоком;

скобки критической секции с защитой выбранного ресурса - в том случае, если после ключевого слова synchronized указывается в скобках ссылка на объект.

В первоначальной версии языка Java для класса Thread предусмотрены методы:

resume() - приостановить выполнение нити;

suspend() - возобновить выполнение нити;

yeld() - сделать паузу в выполнении нити, чтобы дать возможность выполниться другой нити;

join() - ожидать завершения нити.

Эти средства позволяют синхронизировать работу нитей, но в следующих версиях был (наряду со старыми средствами) введен новый, более стройный аппарат синхронизации и взаимного исключения.

Класс Object имеет три метода:

wait() - ожидать уведомления об этом объекте;

notify() - послать уведомление одной из нитей, ждущих уведомления об этом объекте;

notifyAll() - послать уведомление всем из нитям, ждущим уведомления об этом объекте.

Поскольку класс Object является корнем иерархии классов, объекты всех - стандартных и пользовательских - классов являются его подклассами и наследуют эти методы. Эти методы аналогичны операциям wait и signal, описанным нами в разделе 8.7 части I. Реализация, например, общего (с возможным значением, большим 1) семафора с использованием этих средств будет выглядеть следующим образом:

//** семафор реализуется в виде класса Semaphore

public class Semaphore

{

// значение семафора

private int Semaphore_value;

//** пустой конструктор семафора, по умолчанию начальное значение семафора - 0

public Semaphore()

{

this(0);

}

//** конструктор с параметром - начальным значением семафора,

// если задано отрицательное значение, устанавливается начальное значение 0

public Semaphore(int val)

{

if (val < 0) Semaphore_value = 0

else Semaphore_value = val;

}

//** V-операция. V- и P-операции объявлены synchronized,

// чтобы исключить одновременное выполнение их двумя или более нитями

public synchronized void V()

{

// возможно пробуждает нить, ожидающую у семафора

if (Semaphore_value == 0) this.notify();

// увеличивает значение семафора

Semaphore_value++;

}

//** P-операция

public synchronized void P() throws InterruptedException

// исключение может выбрасываться в wait

{

// если значение семафора равно 0, блокирует нить

while (counter == 0) this.wait();

// уменьшает значение семафора

Semaphore_value--;

}

}

В Java VM с каждым объектом связывается замок (lock) и список ожидания (wait set).

В спецификациях байт-кода Java имеются специальные команды monitorenter и monitorexit, устанавливающие и снимающие замок. Java VM, входя в synchronized-блок, пытается выполнить операцию установки замка и не продолжает выполнения нити, пока операция не будет выполнена. При выходе из synchronized-блока выполняется операция снятия замка.

Список ожидания используется методами wait(), notify(), notifyAll(). Он представляет собой список нитей, ожидающих уведомления о данном объекте. Названные операции работают с этим списком очевидным образом.

Следует отметить, что многопоточность, заложенная в языке Java, имеет большие перспективы. Изначально сама идея нитей (а ее первая коммерческая реализация была сделана именно фирмой Sun Microsystems) возникла как решение, призванное обеспечить эффективную загрузку оборудования в многопроцессорных системах, но теперь свойства многопоточности, закладываемые в программное обеспечение, оказывают (наряду с другими факторами) обратное влияние на процессорные архитектуры, стимулируя развитие в них средств распараллеливания вычислительного процесса.

Так, новый проект компьютерной архитектуры фирмы Sun Microsystems носит название MAJC (Microprocessor Architecture for Java Computing - архитектура микропроцессора для Java-вычислений), которое говорит само за себя. В концепцию этой архитектуры (как, впрочем, и ряда других новых архитектур) входит многопроцессорная обработка с несколькими "потоковыми устройствами" в каждом процессоре. Такая архитектура призвана обеспечить более эффективную обработку на сетевом сервере современных потоков данных, которые характеризуются возрастанием удельного веса в них мультимедийной информации.

Для получения лучшей производительности, кроме многопоточных микропроцессоров, разработчики MAJC применяют технологию, называемую "пространственно-временными вычислениями" или "предположительной многопоточности". В этой технологии прикладной программист вообще не будет беспокоиться о распараллеливании своих программ, потому что эта работа будет сделана за него Java VM.

Смысл пространственно-временных вычислений сводится к следующему. Java VM проверяет программу и предполагает, что два метода могут выполняться одновременно на двух процессорах. Она посылает метод A на первый процессор, а метод B - на второй для предположительного вычисления. Поскольку B - предположительный метод, он выполняется в отдельном адресном пространстве, называемом предположительной памятью. Если все идет хорошо, и никакие зависимости в данных не нарушены, то предположительная память сливается с основной памятью и программа обрабатывает следующую пару методов. Если произошло нарушение, то второй метод отменяется и предположительная память "выбрасывается".

Идея пространственно-временных вычислений не является кардинально новой, но она не применялась в обычных многопроцессорных системах без многопоточности, так как позволяла увеличить эффективность выполнения программ в 2-процессорной конфигурации не более, чем на 5%. Разработчики MAJC рассчитывают, что в их архитектуре производительность последовательных приложений на двух процессорах должна возрасти в 1.6 раза.

13.4 Управление памятью в куче

Управление памятью относится к числу тех свойств языка Java, которые заложены в само его ядро и непосредственно обеспечиваются Java VM. Особенностью управления памятью в Java является то, что с точки зрения прикладного программиста его практически нет. Память для данных примитивных типов выделяется в области локальных переменных кадра. Кадр для метода выделяется только на время выполнения метода, при завершении выполнения память кадра освобождается, а следовательно, и освобождаются и все локальные переменные. Этот механизм подобен размещению локальных переменных в стеке в традиционных блочных языках программирования (C/C++, PL/1 и т.д.). Ссылочные типы состоят из двух частей: ссылки на объект и собственно тела объекта. Массивы в Java также являются ссылочным типом, и все, что далее говорится про объекты, справедливо и для массивов. Ссылка представляет собой адрес памяти, указатель на объект в терминах языка C/C++, но в отличие от C/C++, адресная арифметика в Java не разрешена. Объект в программе доступен только через переменную, являющуюся ссылкой на него.

Итак, память, выделяемая для ссылок, управляется автоматически, как и память для примитивных типов. Иначе обстоит дело с памятью, выделяемой для тела объекта. В языке Java имеется операция new, которая явным образом выделяет память для тела объекта и возвращает ссылку на созданный объект. Память для каждого объекта выделяется явным образом, при помощи этой операции. Создание новых объектов возможно также неявным образом - некоторые библиотечные методы создают (при помощи той же операции new) новый объект и возвращают ссылку на созданный объект. На этом "заботы" прикладной Java-программы об управлении памятью заканчиваются. Программа не освобождает выделенную память, это делает за нее Java VM. Автоматическое освобождение памяти, занимаемой уже ненужными (неиспользуемыми) объектами, - одна из наиболее интересных особенностей платформы Java. Это освобождение выполняется в Java VM программным механизмом, который называется сборщиком мусора (garbage collector). Но что такое неиспользуемый объект? Программа может "оставить объект в покое" на долгое время, а потом вдруг вновь вернуться к нему. Время обращения к объекту (как это делается в дисциплине управления памятью LRU) не может служить показателем ненужности объекта. Сборщик мусора считает неиспользуемыми те объекты, на которые нет ссылок. Если в программе нет ссылки на объект, то программа принципиально не может обратиться к объекту, следовательно, объект представляет собой мусор. Обратите внимание на то обстоятельство, что при выходе из блока, в котором был создан объект, освобождается память, занимаемая ссылкой на объект, но это еще не значит, что объект сразу же становиться мусором. Ссылка на созданный объект может быть присвоена внешней по отношению к данному блоку переменной или быть возвращаемым значением метода. Если же этого не происходит, то объект действительно становится мусором. При выполнении Java-программы такой мусор в памяти накапливается. Многие методы библиотечных классов Java (например, класса String) построены таким образом, что их использование способствует интенсивному накоплению мусора в памяти.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19