面试题：Java中volatile与synchronized在多线程应用中的对比

Question

对比volatile关键字和synchronized关键字在多线程编程中的使用场景、原理及性能差异，详细阐述为什么在某些场景下选择volatile而不是synchronized，反之亦然。

Answer 1

使用场景

• volatile：适用于当一个变量需要在线程间可见，且不涉及复杂的同步操作，如状态标记变量。例如，在一个多线程的程序中，一个线程负责检查某个任务是否结束，另一个线程在任务完成时修改这个结束标志变量，使用volatile能保证检查线程及时看到标志的变化。
• synchronized：用于保护一段代码块或方法，确保同一时间只有一个线程能进入该代码块或执行该方法，适用于对共享资源进行读写操作，且需要保证数据一致性的场景。例如银行转账操作，对账户余额的修改需要保证原子性，就可以使用synchronized。

原理

• volatile：通过内存屏障来实现可见性。当一个变量被声明为volatile时，写操作会在写变量后插入一个写屏障，强制将修改后的值刷新到主内存；读操作会在读变量前插入一个读屏障，强制从主内存读取最新值。但volatile不保证原子性，对于像i++这种复合操作，多个线程同时执行可能会出现数据不一致。
• synchronized：基于对象监视器（Monitor）实现。当线程进入synchronized修饰的代码块或方法时，会获取对象的监视器锁，其他线程就无法获取该锁，从而实现同步。锁的获取和释放过程会导致线程上下文切换。

性能差异

• volatile：由于不涉及锁的获取和释放，没有线程上下文切换的开销，性能相对较高，适合读多写少的场景。
• synchronized：获取和释放锁会带来一定的性能开销，尤其是在高并发场景下，大量线程竞争锁会导致频繁的上下文切换，性能会显著下降。

选择原因

• 选择volatile而不是synchronized：
  • 当只需要保证变量的可见性，不需要保证操作的原子性时，volatile开销更小。例如一个用于控制线程是否停止的标志位，只需要线程能及时看到其变化，不需要保证对其修改的原子性。
  • 在读多写少的场景中，volatile能提供更好的性能，因为它避免了锁竞争带来的开销。
• 选择synchronized而不是volatile：
  • 当对共享资源的操作需要保证原子性时，必须使用synchronized。如对共享变量的复杂计算操作，volatile无法满足原子性要求。
  • 在写操作较多且需要保证数据一致性的场景下，synchronized能通过锁机制确保操作的顺序性和原子性，虽然性能开销大，但能保证数据的正确性。