面试题：Java中volatile关键字与synchronized关键字在使用场景上有何不同

Question

请从原理、功能、性能以及适用场景等多方面对比分析volatile关键字和synchronized关键字，举例说明在哪些情况下应该优先选择使用volatile，哪些情况下必须使用synchronized。

Answer 1

原理

• volatile：保证变量在多线程之间的可见性，当一个线程修改了volatile变量的值，新值对其他线程立即可见。它不会引起线程上下文切换和调度，不保证原子性。通过内存屏障实现，禁止指令重排序。
• synchronized：通过对象的内置锁机制实现线程同步，一个线程进入同步块或方法时，会获取对象的锁，其他线程只能等待锁的释放。它保证原子性、可见性和有序性，会导致线程上下文切换和调度。

功能

• volatile：主要解决变量在多线程间的可见性问题，适用于一写多读场景，当一个线程修改变量，其他线程能及时看到变化。
• synchronized：不仅保证可见性，还能保证原子性和有序性。可用于控制对共享资源的访问，避免并发访问导致的数据不一致问题。

性能

• volatile：因为不涉及线程上下文切换和调度，性能开销相对较小，适用于读多写少的场景。
• synchronized：由于线程竞争锁会导致上下文切换和调度，性能开销较大，尤其在高并发且锁竞争激烈的场景下。

适用场景

• 优先选择volatile的场景：
  • 状态标记量，如 boolean running = false，当一个线程修改 running 为 true，其他线程需要立即感知到。

  public class VolatileExample {
      private volatile boolean running = false;
  
      public void start() {
          running = true;
      }
  
      public void doWork() {
          while (!running) {
              // 执行其他操作
          }
          // running变为true后执行的操作
      }
  }
  

  • 读多写少的共享变量，如配置参数等，多个线程频繁读取，偶尔有一个线程修改。
• 必须使用synchronized的场景：
  • 对共享资源进行复杂操作，如读写操作都可能改变共享资源状态的场景，像银行转账操作，需要保证原子性。

  public class BankAccount {
      private int balance;
  
      public BankAccount(int initialBalance) {
          this.balance = initialBalance;
      }
  
      public synchronized void transfer(BankAccount to, int amount) {
          if (this.balance >= amount) {
              this.balance -= amount;
              to.balance += amount;
          }
      }
  }
  

  • 保证操作的原子性、可见性和有序性，比如在多线程环境下对计数器进行自增操作。

  public class Counter {
      private int count = 0;
  
      public synchronized void increment() {
          count++;
      }
  
      public synchronized int getCount() {
          return count;
      }
  }