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

ai 2025/5/15 6:09:14

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。

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。

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