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volatile 和 synchronized 的區別

在 Java 并發編程中，volatile 和 synchronized 是兩種常用的同步機制，但它們的適用場景和底層原理有顯著差異。以下是兩者的詳細對比：

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1. 核心功能對比

特性	volatile	synchronized
原子性	不保證復合操作的原子性（如 i++）。	保證代碼塊或方法的原子性。
可見性	強制變量讀寫直接操作主內存，保證可見性。	通過鎖的釋放/獲取強制同步內存，保證可見性。
有序性	禁止指令重排序（內存屏障）。	通過鎖規則保證臨界區內的操作有序性。
線程阻塞	無阻塞，輕量級。	可能引發線程阻塞（鎖競爭時）。
適用場景	單寫多讀、狀態標志。	復合操作、臨界區資源保護。

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2. 原子性

• volatile：

  • 不保證原子性，僅確保單次讀/寫操作的原子性。
  • 示例：

    volatile int count = 0;
    count++; // 非原子操作（實際是 read-modify-write）
    

    多線程并發時，count++ 可能導致數據競爭。

• synchronized：

  • 保證原子性，鎖內的所有操作作為一個整體執行。
  • 示例：

    synchronized (lock) {count++; // 原子操作
    }
    

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3. 可見性

• volatile：

  • 通過內存屏障強制線程每次讀寫 volatile 變量時直接操作主內存，跳過工作內存（CPU 緩存）。
  • 示例：

    volatile boolean flag = true;
    // 線程1修改 flag 后，線程2立即可見
    

• synchronized：

  • 線程進入同步塊時清空工作內存，從主內存重新加載變量；退出同步塊時將變量寫回主內存。
  • 示例：

    synchronized (lock) {// 操作共享變量
    }
    

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4. 有序性

• volatile：

  • 通過插入內存屏障（StoreStore、StoreLoad 等）禁止編譯器和處理器對 volatile 變量的讀寫操作進行重排序。
  • 示例：雙重檢查鎖定（DCL）中防止對象未初始化就被引用。

    private static volatile Singleton instance;
    

• synchronized：

  • 通過“鎖規則”實現有序性：同一時刻只有一個線程能執行同步塊，天然保證操作按代碼順序執行。
  • 示例：

    synchronized (lock) {// 臨界區內的操作不會重排序到鎖外
    }
    

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5. 性能開銷

• volatile：

  • 輕量級：僅通過內存屏障限制重排序，無線程阻塞和上下文切換開銷。
  • 適用場景：適合低競爭或單寫多讀場景（如狀態標志）。

• synchronized：

  • 重量級：涉及鎖競爭、內核態切換（重量級鎖）和線程阻塞，開銷較大。
  • 優化機制：鎖升級（偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖）減少無競爭時的開銷。
  • 適用場景：高競爭或需要復合原子操作的場景（如計數器、資源池）。

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6. 底層實現

• volatile：

  • 內存屏障：JVM 在字節碼層面插入屏障指令（如 StoreStore、LoadLoad）。
  • 硬件支持：依賴 CPU 的緩存一致性協議（如 MESI）強制刷新內存。

• synchronized：

  • Monitor 機制：基于對象頭的 Mark Word 實現鎖狀態管理（無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖）。
  • 內核態操作：重量級鎖依賴操作系統的互斥量（Mutex）實現線程阻塞。

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7. 實際應用示例

(1) volatile 適用場景

• 狀態標志：

  volatile boolean shutdownRequested = false;
  public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
  public void doWork() { while (!shutdownRequested) { /* ... */ } }
  

• 單例模式（DCL）：

  public class Singleton {private static volatile Singleton instance;public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
  }
  

(2) synchronized 適用場景

• 線程安全的計數器：

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

• 資源池管理：

  public class ConnectionPool {private final LinkedList<Connection> pool = new LinkedList<>();public synchronized Connection getConnection() {while (pool.isEmpty()) wait();return pool.removeFirst();}public synchronized void release(Connection conn) {pool.addLast(conn);notifyAll();}
  }
  

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8. 總結對比表

維度	volatile	synchronized
原子性	僅單次讀/寫原子，不保證復合操作。	保證代碼塊或方法的原子性。
可見性	直接操作主內存，強制刷新。	通過鎖同步內存。
有序性	禁止指令重排序。	通過鎖規則保證臨界區有序。
線程阻塞	無阻塞。	可能阻塞（鎖競爭時）。
性能開銷	低。	高（尤其是重量級鎖）。
適用場景	狀態標志、單例模式（DCL）。	復合操作、資源競爭、線程間協作。

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選擇建議

• 使用 volatile 的情況：

  • 變量被多個線程訪問，但只有一個線程修改。
  • 需要禁止指令重排序（如 DCL 單例模式）。

• 使用 synchronized 的情況：

  • 需要原子性操作（如 i++、復合邏輯）。
  • 多線程競爭同一資源（如連接池、計數器）。