【Java并发】volatile 与 synchronized 关键字
☕深入理解 Java 的并发关键字：volatile 与 synchronized
在多线程编程中，保证数据一致性、可见性和有序性是极为重要的。Java 提供了两种基础的并发控制关键字：volatile 和 synchronized。这两个关键字虽常被提及，但很多开发者对它们的底层原理和使用场景仍有误解。
🧱 一、线程安全的三大核心问题
在并发编程中，通常需要解决以下三个问题：
- 原子性（Atomicity）：操作不能被中断或分割，必须完整执行。
- 可见性（Visibility）：一个线程对共享变量的修改，其他线程能够立即看到。
- 有序性（Ordering）：程序执行顺序按照代码的先后顺序进行。
🌈 二、volatile 关键字详解
🔍 1. 作用：保证可见性，禁止指令重排
volatile 修饰字段（成员变量）时，表示：
- 对该变量的所有读写操作都直接从主内存中读取/写入，不会使用线程工作内存中的副本；
- 对该变量的写操作会立即刷新回主内存；
- 禁止 JVM 对其进行指令重排序优化（部分语义）；
📌 示例代码
private volatile boolean flag = false;public void stop() {flag = true;
}public void run() {while (!flag) {// 如果没有volatile，可能一直在循环}
}
🧠 内存模型支持
在 Java 内存模型（JMM）中：
volatile变量具备 可见性 和 有序性（写-读有序）；- 它本质通过在字节码层面加入
lock指令，刷新缓存行实现主内存同步；
⚠️ 不能保证原子性
volatile int count = 0;
count++; // 非原子性操作
以上语句会被分解为：读取 → 加 1 → 写入，多个线程同时执行可能出现丢失更新。
🔒 三、synchronized 关键字详解
🔍 1. 作用：保证原子性 + 可见性 + 排他性
synchronized 关键字可用于方法或代码块，表示在同一时刻只允许一个线程访问同步块/方法，实现互斥锁的语义。
它确保：
- 原子性：同步块内部操作不可被其他线程打断；
- 可见性：释放锁前，线程对共享变量的修改会刷新回主内存；
- 互斥性：同一时刻只能有一个线程持有锁；
📌 示例代码
public synchronized void increment() {count++;
}// 或者使用代码块
synchronized (this) {count++;
}
⚙️ 底层实现
synchronized 的底层依赖于 JVM 的 Monitor（监视器锁）机制：
- 编译后生成字节码指令
monitorenter和monitorexit； - 每个对象都有一个 Monitor，用于加锁和释放；
- JDK 1.6 后支持偏向锁、轻量级锁、自旋锁等锁优化；
🆚 四、volatile 与 synchronized 对比
| 特性 | volatile | synchronized |
|---|---|---|
| 修饰范围 | 字段（变量） | 方法或代码块 |
| 可见性 | ✅ 保证 | ✅ 保证 |
| 原子性 | ❌ 不保证 | ✅ 保证 |
| 排他性 | ❌ 无 | ✅ 有 |
| 是否加锁 | ❌ 无锁机制 | ✅ 基于对象锁 |
| 性能开销 | 小（无阻塞） | 大（上下文切换） |
| 死锁风险 | 无 | 有（多锁交叉时可能） |
| 应用场景 | 状态标志、配置同步等轻量用途 | 临界区保护、计数器等需要原子性 |
🎯 五、使用场景推荐
✅ 使用 volatile 的典型场景：
- 状态变量、布尔标志控制：
volatile boolean stopRequested = false;
- 双重检查锁单例模式：
private static volatile Singleton instance;public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized(Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;
}
⚠️ 没有
volatile，由于指令重排序，可能导致获取到未初始化完成的对象。
✅ 使用 synchronized 的典型场景：
- 多线程操作共享资源，如计数器、列表等：
synchronized (list) {list.add("item");
}
- 实现线程安全的懒汉式单例：
public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;
}
- 同步访问复杂逻辑，避免并发执行：
public synchronized void update() {// 执行多个原子性操作
}
📌 六、总结一句话
volatile适合用于保证可见性但不涉及复合操作的场景；synchronized适合用于需要原子性和互斥访问的逻辑块；
二者在某些场景可以配合使用，例如在**双检锁模式（DCL）**中，volatile 保证有序性与可见性，synchronized 保证创建过程的原子性。
✅ 最佳实践小贴士
| 建议 | 描述 |
|---|---|
| ✅ 优先用原子类 | 如 AtomicInteger 替代 volatile + count++ |
| ✅ 合理划分锁粒度 | 使用细粒度锁提升并发性能 |
| ❌ 不要滥用 volatile | 它不能替代锁，只适合状态控制 |
✅ JDK8+ 推荐使用 Lock | 更灵活，支持可中断、限时、公平锁等 |
✅ 一句话总述（先答重点）
在 Java 中，
volatile关键字主要保证变量的可见性和禁止指令重排序，而synchronized则保证原子性、可见性和互斥性，通常用于保护临界区。
🧠 面试回答结构建议（STAR法）
✨ 1. 先解释两者基本含义
volatile：
- 用于修饰字段，保证多线程环境下的可见性；
- 当一个线程修改了
volatile变量，会立刻刷新到主内存，其他线程读取的是最新值； - 同时禁止某些指令重排序，但不保证原子性；
synchronized：
- 可修饰方法或代码块，底层依赖 对象监视器锁（Monitor）；
- 保证线程间的互斥执行（排他性）；
- 同时具有原子性 + 可见性；
- 释放锁时会强制刷新工作内存，保证变量最新值对其他线程可见；
🔍 2. 举个例子说明 volatile 使用场景
比如我们定义了一个
volatile boolean flag作为线程停止标志，一个线程写入true，另一个线程能立刻感知停止条件；如果不加volatile，由于线程缓存，另一个线程可能一直感知不到。
💥 3. 举个例子说明为什么 volatile 不够
如果我定义了
volatile int count = 0，多个线程执行count++，它不是原子操作，会导致竞态条件，即便是 volatile 修饰也无法避免数据错误。
🆚 4. 比较总结（用表述）
| 特性 | volatile | synchronized |
|---|---|---|
| 可见性 | ✅ 保证 | ✅ 保证 |
| 原子性 | ❌ 不保证 | ✅ 保证 |
| 是否加锁 | ❌ 无锁 | ✅ 加锁（互斥） |
| 性能 | 高（但功能弱） | 低（但功能全） |
| 死锁风险 | 无 | 有可能（使用不当） |
🎯 5. 面试总结推荐语句
因此我在实际项目中会根据场景选用，比如只需要保证状态变量可见性时用
volatile，需要修改共享资源或控制临界区时我会使用synchronized或更高级的锁机制，如ReentrantLock。
🧑💻 BONUS：面试官追问常见问题准备
Q1：volatile 可以替代 synchronized 吗？
答：不能。volatile 不保证原子性，不能用来保护临界区，仅适用于状态标志、单例 DCL 模式等轻量级同步场景。
Q2：你知道 volatile 背后的内存屏障吗？
答：是的。JVM 会在写 volatile 变量时插入 Store Barrier，在读时插入 Load Barrier，用于阻止指令重排，并强制刷新主内存。
Q3：如果让你优化 synchronized 性能，你会怎么做？
答：
- 使用细粒度锁代替粗粒度锁；
- 用
ReentrantLock替代synchronized，支持 tryLock、可中断等； - 利用并发容器（如
ConcurrentHashMap）代替手动加锁； - 使用锁分段、CAS 原子类等替代加锁方式；