【Java】 volatile 和 synchronized 的比较及使用场景

在 Java 的并发编程中，volatile 和 synchronized 是两个常用的关键字，它们分别用于保证多线程环境中的 可见性 和 原子性，但它们的工作原理和适用场景却有所不同。今天，我们将深入探讨这两个关键字的异同，帮助大家理解它们的使用场景和选择方式。

1. volatile 关键字

功能简介

volatile 是 Java 中的一个轻量级同步机制，它用来确保 变量的可见性。当一个线程修改了 volatile 变量的值，其他线程能够立即看到修改后的值。它通过 内存屏障 来禁止编译器和 CPU 对 volatile 变量的重排序，确保每次读取都是从主内存中获取最新的值。

使用场景

volatile 主要用于以下两种场景：

• 状态标志：通常用于线程之间的状态通信。例如，线程池中常用一个 volatile 标志来通知线程是否需要停止执行。
• 单一变量的可见性：当你需要保证多个线程对同一变量的修改是可见的，而不需要操作的原子性时，volatile 是一个不错的选择。

示例代码

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void setFlag() {
        flag = true;
    }

    public boolean checkFlag() {
        return flag;
    }
}

在这个例子中，volatile 确保了 flag 变量在多个线程中是可见的，即当一个线程修改了 flag 的值，其他线程能够立即看到这个变化。

优缺点

优点：

• 轻量级，性能较好。
• 简单易用，避免了使用 synchronized 带来的开销。

缺点：

• 只保证 可见性，不能保证 原子性。对于复合操作（如 i++），volatile 并不适用。

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2. synchronized 关键字

功能简介

synchronized 是 Java 中的同步机制，它可以保证 原子性 和 可见性。使用 synchronized 可以确保在同一时刻只有一个线程可以执行某个方法或代码块，其他线程必须等待锁的释放。synchronized 确保了对共享资源的访问是安全的。

使用场景

synchronized 适用于需要对共享资源进行 复合操作 的场景，尤其是当多个线程同时修改共享数据时。例如：

• 多线程环境下对共享数据的读写操作。
• 确保操作的原子性，避免数据的竞争和不一致。

示例代码

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中，synchronized 确保了 increment 和 getCount 方法在多线程环境下的线程安全。只有一个线程能够访问这两个方法，避免了并发问题。

优缺点

优点：

• 保证 原子性 和 可见性，适用于复杂的并发操作。
• 适用于保护临界区代码，防止数据竞态。

缺点：

• 性能开销较大，每次进入 synchronized 方法或代码块时，都需要获取锁，离开时需要释放锁。这会导致线程上下文切换，影响性能。
• 容易引发 死锁 问题，如果不小心使用锁的顺序，会导致线程互相等待，造成程序无法继续执行。

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3. volatile 和 synchronized 的对比

特性	volatile	synchronized
保证的功能	仅保证变量的 可见性	保证 原子性 和 可见性
适用场景	适用于简单的标志变量（如停止线程标志）	适用于需要对共享资源进行原子操作的场景
性能开销	性能较好，无锁开销	性能开销较大，需要线程上下文切换和加锁操作
原子性	不保证（例如自增操作 i++ 是非原子操作）	保证（确保对共享变量的原子修改）
实现方式	通过内存屏障确保可见性	通过锁机制保证互斥访问
使用简单性	简单，只涉及变量声明和使用	需要额外的加锁和解锁操作
适用于复合操作	不适合复合操作（例如自增、判断并更新等）	适合复合操作（如自增、自减等复杂操作）
线程竞争	无锁开销，但只能保证可见性，无法避免线程竞争	可以避免线程竞争，保证操作的完整性

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4. 何时选择 volatile，何时选择 synchronized？

选择 volatile：

• 简单的变量控制：如果你只需要确保变量的可见性，并且操作是简单的读写操作（如状态标志），volatile 是更优的选择。
• 性能敏感的场景：由于 volatile 没有锁的开销，性能上会优于 synchronized。

选择 synchronized：

• 复合操作：如果你的操作涉及多个步骤（例如 i++，或多个值的修改），volatile 无法保证原子性，这时应该使用 synchronized。
• 多线程共享数据的场景：在多个线程同时修改同一数据时，synchronized 可以确保数据的安全性和一致性。

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5. 总结

volatile 和 synchronized 是 Java 中两种常用的并发控制机制。volatile 提供了轻量级的可见性保障，适用于简单的场景，但不能保证原子性；而 synchronized 提供了强大的原子性保障，适用于复杂的并发操作，但会带来较大的性能开销。

在实际开发中，选择哪种机制取决于你的具体需求：

• 如果只是需要确保变量的可见性，使用 volatile 更为高效。
• 如果需要保证多个操作的原子性或保护共享资源的访问，使用 synchronized 更为合适。

理解它们的原理和适用场景，将帮助你在并发编程中做出更加合理的选择。