面试题：Java中volatile与synchronized在内存语义上的区别

Question

从Java内存模型角度出发，分析volatile关键字和synchronized关键字在内存语义方面的区别。比如在保证可见性、原子性以及有序性上两者分别是如何实现的，在实际多线程编程场景中，应如何依据具体需求合理选择使用这两种机制。

Answer 1

1. 可见性

• volatile：
  • 当一个变量被声明为volatile时，线程对该变量的写操作会立即刷新到主内存，而读操作会直接从主内存中读取最新值。这是通过在汇编层面使用lock前缀指令，该指令会触发缓存一致性协议，确保其他处理器缓存中的该变量副本失效，从而保证了可见性。
• synchronized：
  • 在进入synchronized块时，会从主内存中读取共享变量的值，而在退出synchronized块时，会将共享变量的值刷新回主内存。这是因为synchronized的内存语义遵循Java内存模型的管程（Monitor）规则，管程的进入和退出会产生happen - before关系，保证了可见性。

2. 原子性

• volatile：
  • volatile只能保证单个读/写操作的原子性，对于复合操作（如i++，它包含读取、增加和写入三个操作）无法保证原子性。
• synchronized：
  • synchronized关键字通过对代码块或方法加锁，同一时刻只有一个线程能进入被synchronized修饰的代码块或方法，从而保证了该代码块或方法内操作的原子性。

3. 有序性

• volatile：
  • volatile关键字通过内存屏障来禁止指令重排序。写操作前插入StoreStore屏障，保证前面的普通写操作先于volatile写操作对其他线程可见；写操作后插入StoreLoad屏障，防止volatile写操作与后续读操作重排序。读操作后插入LoadLoad和LoadStore屏障，防止volatile读操作与后续普通读/写操作重排序。这保证了volatile变量相关操作的有序性。
• synchronized：
  • 由于synchronized通过管程实现，管程的进入和退出产生的happen - before关系，不仅保证了可见性，也保证了有序性。即monitorenter之前的操作happen - before于monitorexit之后的操作。

4. 选择使用场景

• volatile：
  • 适用于读多写少的场景，当只需要保证变量的可见性和单个读/写操作的原子性，且不存在复合操作时，使用volatile可以减少同步开销，提高性能。例如，用于控制多线程中的开关状态变量。
• synchronized：
  • 适用于需要保证原子性、可见性和有序性的场景，特别是涉及复合操作或需要保证整个代码块线程安全的情况。例如，银行转账操作，涉及多个变量的修改，需要使用synchronized来保证操作的完整性。