نموذج ذاكرة جافا

يصف نموذج الذاكرة في لغة جافا كيفية تفاعل الخيوط البرمجية عبر الذاكرة . وبالإضافة إلى وصف تنفيذ التعليمات البرمجية بخيط واحد، يوفر نموذج الذاكرة دلالات لغة جافا البرمجية.

كان يُنظر إلى نموذج الذاكرة الأصلي للغة جافا، الذي طُوّر عام ١٩٩٥، على نطاق واسع على أنه معيب ^{[ ١ ]،} إذ كان يعيق العديد من تحسينات وقت التشغيل ولا يوفر ضمانات كافية لسلامة الكود. وقد جرى تحديثه من خلال عملية مجتمع جافا ، تحت مسمى طلب مواصفات جافا رقم ١٣٣ (JSR-١٣٣)، والذي دخل حيز التنفيذ عام ٢٠٠٤، لنظام تايجر (جافا ٥.٠) . ^{[ ٢ ] [ ٣ ]}

توفر لغة البرمجة جافا ومنصتها إمكانيات تعدد الخيوط . ويُعرف عن المطورين صعوبة مزامنة الخيوط، وتتفاقم هذه الصعوبة نظرًا لإمكانية تشغيل تطبيقات جافا على نطاق واسع من المعالجات وأنظمة التشغيل . وللتمكن من استخلاص استنتاجات حول سلوك البرنامج، قرر مصممو جافا ضرورة تحديد السلوكيات المحتملة لجميع برامج جافا بشكل واضح.

في المنصات الحديثة، لا يُنفَّذ الكود غالبًا بالترتيب الذي كُتب به. إذ يُعاد ترتيبه بواسطة المُصرِّف والمعالج ونظام الذاكرة لتحقيق أقصى أداء. في بنى المعالجات المتعددة ، قد يمتلك كل معالج ذاكرة تخزين مؤقت محلية خاصة به غير متزامنة مع الذاكرة الرئيسية. ومن غير المرغوب فيه عمومًا اشتراط تزامن الخيوط بشكل كامل فيما بينها، لأن ذلك سيكون مكلفًا للغاية من وجهة نظر الأداء. ونتيجة لذلك، قد تُلاحظ الخيوط المختلفة قيمًا مختلفة لنفس البيانات المشتركة في أي وقت. ^{[ 4 ]}

في بيئة أحادية الخيوط، يسهل فهم آلية تنفيذ التعليمات البرمجية. يتطلب النهج المعتاد من النظام تطبيق دلالات "كما لو كانت متسلسلة" لكل خيط على حدة. عند تنفيذ خيط معين، سيبدو الأمر كما لو أن جميع الإجراءات التي يقوم بها هذا الخيط تحدث بالترتيب الذي تظهر به في البرنامج، حتى لو كانت هذه الإجراءات نفسها تحدث بترتيب مختلف.

إذا نفّذ أحد الخيوط تعليماته بترتيب غير صحيح، فقد يلاحظ خيط آخر هذا الخطأ، حتى لو لم يؤثر ذلك على دلالات الخيط الأول. على سبيل المثال، لنفترض وجود خيطين يحملان التعليمات التالية، وينفذانها بالتزامن، حيث تم تهيئة المتغيرين x و y بالقيمة 0:

إذا لم تُجرَ أي عمليات إعادة ترتيب، وأعادت قراءة y في الخيط  2 القيمة  2، فيجب أن تُعيد قراءة x اللاحقة القيمة  1، لأن الكتابة إلى x تمت قبل الكتابة إلى y. أما إذا أُعيد ترتيب عمليتي الكتابة، فقد تُعيد قراءة y القيمة  2، وقد تُعيد قراءة x القيمة  0.

يُحدد نموذج ذاكرة جافا (JMM) السلوك المسموح به للبرامج متعددة الخيوط، وبالتالي يصف متى يكون إعادة ترتيب هذه الخيوط ممكنًا. ويفرض قيودًا على وقت التنفيذ فيما يتعلق بالعلاقة بين الخيوط والذاكرة الرئيسية لتحقيق تطبيقات جافا متسقة وموثوقة. وبذلك، يُتيح تحليل تنفيذ التعليمات البرمجية في بيئة متعددة الخيوط، حتى في ظل التحسينات التي يُجريها المُترجم الديناميكي والمعالج (المعالجات) وذاكرة التخزين المؤقت.

بالنسبة لتنفيذ خيط واحد، تكون القواعد بسيطة. تتطلب مواصفات لغة جافا من آلة جافا الافتراضية مراعاة دلالات التسلسل الظاهر داخل الخيط . ويحق لوقت التشغيل (الذي يشير عادةً في هذه الحالة إلى المترجم الديناميكي والمعالج ونظام الذاكرة الفرعي) إدخال أي تحسينات مفيدة للتنفيذ طالما أن نتيجة الخيط، عند عزله، مضمونة لتكون مطابقة تمامًا لما كانت ستكون عليه لو تم تنفيذ جميع التعليمات بالترتيب الذي وردت به في البرنامج (ويُسمى أيضًا ترتيب البرنامج). ^{[ 5 ]}

يكمن التحذير الرئيسي في أن دلالات التسلسل الظاهر لا تمنع الخيوط المختلفة من امتلاك وجهات نظر مختلفة للبيانات. يوفر نموذج الذاكرة إرشادات واضحة حول القيم المسموح بإرجاعها عند قراءة البيانات. تشير القواعد الأساسية إلى إمكانية إعادة ترتيب الإجراءات الفردية، طالما لم يتم انتهاك دلالات التسلسل الظاهر للخيط، وتضمن الإجراءات التي تتضمن اتصالًا بين الخيوط، مثل الحصول على قفل أو تحريره ، أن ترى الخيوط الأخرى التي ترى آثار الإجراءات التي تحدث قبلها. على سبيل المثال، سيُرى كل ما يحدث قبل تحرير القفل على أنه مرتب ومرئي لكل ما يحدث بعد الحصول اللاحق على نفس القفل. ^{[ 6 ]}

رياضيًا، يوجد ترتيب جزئي يُسمى ترتيب "الحدوث قبل" لجميع الإجراءات التي يُنفذها البرنامج. يشمل ترتيب "الحدوث قبل" ترتيب البرنامج؛ فإذا حدث إجراء قبل آخر في ترتيب البرنامج، فسيحدث قبل الآخر في ترتيب "الحدوث قبل" . بالإضافة إلى ذلك، تُشكل عمليات تحرير الأقفال وعمليات الحصول عليها اللاحقة حوافًا في مخطط "الحدوث قبل". يُسمح لعملية القراءة بإرجاع قيمة عملية الكتابة إذا كانت تلك الكتابة هي آخر عملية كتابة إلى ذلك المتغير قبل القراءة على طول مسار ما في ترتيب "الحدوث قبل" ، أو إذا لم تكن عملية الكتابة مُرتبة بالنسبة لتلك القراءة في ترتيب "الحدوث قبل" .

كان نموذج ذاكرة جافا أول محاولة لتوفير نموذج ذاكرة شامل للغة برمجة شائعة. ^{[ 7 ]} وقد بُرِّرَ ذلك بالانتشار المتزايد للأنظمة المتزامنة والمتوازية، والحاجة إلى توفير أدوات وتقنيات ذات دلالات واضحة لهذه الأنظمة. ومنذ ذلك الحين، أصبح نموذج الذاكرة أكثر قبولًا، مع توفير دلالات مماثلة للغات مثل C++ . ^{[ 8 ]}

• نموذج الذاكرة (الحوسبة)
• التزامن في جافا

• نظرية وممارسة جافا: إصلاح نموذج ذاكرة جافا، الجزء 1 - مقال يصف المشاكل المتعلقة بنموذج ذاكرة جافا الأصلي.
• نظرية وممارسة جافا: إصلاح نموذج ذاكرة جافا، الجزء 2 - يشرح التغييرات التي أجراها JSR 133 على نموذج ذاكرة جافا.
• براغماتية نموذج الذاكرة في جافا (نص مكتوب)
• روابط نموذج ذاكرة جافا
• البنية الداخلية للغة جافا
• صفحة ويب JSR-133
• الأسئلة الشائعة حول طائرة JSR-133
• دليل تنفيذ JSR-133