Java面试必看：synchronized、volatile与CAS的区别及应用场景

Java面试必看：synchronized、volatile与CAS的区别及应用场景 ?

前言

大家好！我是闫工，一个喜欢coding、热爱分享的程序员。今天我们要聊的是Java面试中经常被问到的几个关键字：synchronized、volatile和CAS。这三个东西看似简单，但真正理解它们的区别和应用场景却需要花不少功夫。作为一个过来人，我深知在面试中遇到这些问题时可能会手足无措，所以我决定写这篇文章，帮助大家理清思路，轻松应对面试。

什么是synchronized？

synchronized的定义

synchronized是Java中的一个关键字，主要用于实现线程间的同步。它可以帮助我们控制多个线程同时访问共享资源的情况，从而避免出现数据不一致或者竞态条件等问题。

synchronized的工作原理

synchronized的作用机制其实很简单：当一个线程进入一个同步块（用synchronized修饰的代码块）时，它会获取该对象的锁。如果其他线程也试图进入这个同步块，它们必须等待直到当前线程释放锁为止。这样就保证了同一时间只有一个线程可以执行这段代码。

synchronized的应用场景

• 控制对共享资源的访问：比如多个线程同时写入一个文件或者修改一个数据库记录时，使用synchronized可以避免数据冲突。
• 防止竞态条件：在多线程环境中，某些操作需要原子性地完成，而synchronized就可以保证这一点。

synchronized的优缺点

优点

• 简单易用：只需要在方法或代码块前加上synchronized关键字即可实现同步。
• 内置支持：Java虚拟机（JVM）对synchronized有很好的支持，无需额外配置。

缺点

• 性能问题：由于每次进入同步块都需要获取锁，这可能会导致性能瓶颈，特别是在高并发场景下。
• 重量级操作：相对其他同步机制来说，synchronized的开销较大，尤其是在不需要严格顺序的情况下使用它可能显得有些“大材小用”。

synchronized的经典案例

假设我们有一个银行账户类：

publicclassBankAccount{privatedoublebalance;publicvoidwithdraw(doubleamount){// 没有同步的情况可能会导致多个线程同时修改balance，从而出现错误的余额balance-=amount;}// 使用synchronized的方法publicsynchronizedvoiddeposit(doubleamount){balance+=amount;}}

在这个例子中，withdraw方法没有使用synchronized，而deposit方法则使用了。如果多个线程同时调用这两个方法，可能会导致不一致的结果。

什么是volatile？

volatile的定义

volatile是Java中的另一个关键字，主要用于保证变量的可见性。它告诉JVM，这个变量不会被优化（比如放到寄存器中），而是直接从内存中读取和写入。

volatile的工作原理

当你在一个变量前加上volatile关键字后，编译器和运行时都会知道这个变量可能会被其他线程修改，因此每次访问它时都必须从主内存中获取最新的值。此外，volatile还禁止了指令重排序优化，这意味着在读取或写入volatile变量时，相关操作的顺序会被严格遵守。

volatile的应用场景

• 确保变量的可见性：如果你希望一个变量对所有线程都是可见的，那么使用volatile会是一个不错的选择。
• 简单状态标志：比如用来控制线程的停止或暂停，这时候不需要复杂的同步机制，只需要保证状态的变化能够被其他线程及时看到。

volatile的优缺点

优点

• 轻量级：相比于synchronized，volatile的开销非常小。
• 确保可见性：它能有效解决多线程环境下变量不可见的问题。

缺点

• 不保证原子性：volatile只能确保变量在被读取或写入时的可见性，并不能保证操作的原子性。比如，如果你有一个自增操作（i++），即使i是volatile的，多个线程同时执行这个操作仍然可能导致数据不一致。
• 无法替代synchronized：虽然volatile在某些情况下可以减少对synchronized的依赖，但它并不能完全取代synchronized。

volatile的经典案例

考虑一个简单的线程停止场景：

publicclassMyThreadextendsThread{privatevolatilebooleanrunning=true;publicvoidrun(){while(running){// 执行任务System.out.println("Running...");try{Thread.sleep(100);}catch(InterruptedExceptione){break;}}}publicvoidstopRunning(){running=false;}}

在这个例子中，running变量被标记为volatile，这样当主线程调用stopRunning()方法时，其他线程能够立即看到这个变化并退出循环。

什么是CAS？

CAS的定义

CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁同步算法。它允许我们在不使用传统锁机制的情况下实现原子操作。Java中通过java.util.concurrent.atomic包提供了对CAS操作的支持，比如AtomicInteger、AtomicLong等类。

CAS的工作原理

CAS的核心思想是：比较并替换。具体来说，CAS包含三个参数——内存位置（V）、预期值（A）和新值（B）。它会检查内存位置V的当前值是否等于预期值A，如果是，则将V的值更新为B；否则，什么也不做。整个过程在硬件层面通常是原子性的。

CAS的应用场景

• 高并发环境：CAS适用于需要频繁读写但又希望避免锁竞争的情况。
• 无锁数据结构：比如 ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等内部就大量使用了CAS操作。
• 原子变量更新：如果你只需要对一个变量进行原子性的增减或替换，CAS会是一个很好的选择。

CAS的优缺点

优点

• 高性能：由于不需要获取锁，CAS在高并发场景下表现得更好。
• 可扩展性好：它支持多种无锁数据结构的实现，适合复杂的并发控制需求。

缙士

• ABA问题：一个常见的问题是ABA（即Atomicity, Consistency, Availability），当一个变量被多次修改为同一值时，CAS可能无法检测到这种情况。
• 循环开销：在竞争激烈的情况下，CAS可能会导致大量的循环重试，从而增加系统的负载。

CAS的经典案例

使用AtomicInteger来实现一个简单的计数器：

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;publicclassCounter{privateAtomicIntegercount=newAtomicInteger(0);publicvoidincrement(){// 使用CAS实现原子递增while(true){intcurrent=count.get();intnext=current+1;if(count.compareAndSet(current,next)){break;}}}publicintgetCount(){returncount.get();}}

在这个例子中，increment()方法通过循环调用compareAndSet来实现原子递增。尽管看起来有点繁琐，但在高并发环境下这会比使用synchronized更高效。

三者的比较

选择合适的方式

• 如果需要严格的顺序控制，并且对性能的要求不是特别苛刻，那么synchronized可能是你的最佳选择。
• 如果你只需要确保变量的可见性，而不需要复杂的同步逻辑，那么使用volatile会更高效。
• 在高并发环境下，尤其是当你需要实现一些复杂的无锁数据结构时，CAS会是更好的选择。

总结

synchronized、volatile和CAS各有优劣，选择哪一种取决于具体的场景需求。理解它们的工作原理和适用范围，才能在实际开发中做出最佳的选择。

步骤解释

1. 识别问题：当多个线程需要访问共享资源时，可能会出现竞态条件（race condition），导致数据不一致或其他错误。

2. 选择合适的同步机制：

   • 如果需要确保代码块的原子执行且顺序正确，使用synchronized。
   • 如果只需要保证变量在所有线程中是可见的，而不关心操作是否为原子性的，那么使用volatile。
   • 在高并发场景下，尤其是当你希望避免锁的竞争并提升性能时，可以考虑使用CAS（如AtomicInteger）。

3. 实现同步：

   • 使用synchronized关键字包裹需要同步的方法或代码块。
   • 在变量前加上volatile关键字以确保可见性。
   • 利用java.util.concurrent.atomic包中的类来实现无锁的原子操作。

4. 验证和测试：在实际应用中，通过单元测试、性能测试等手段验证所选择的同步机制是否达到了预期的效果，并且不会引入新的问题（比如死锁或ABA问题）。

代码示例

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;publicclassSynchronizedVsVolatileVsCAS{privatestaticintcounter=0;privatestaticvolatileintvolatileCounter=0;privatestaticAtomicIntegeratomicCounter=newAtomicInteger(0);publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{// 使用synchronizedsynchronizedExample();// 使用volatilevolatileExample();// 使用CAScasExample();Thread.sleep(1000);// 确保线程有足够的时间执行System.out.println("Final counters:");System.out.println("Synchronized counter: "+counter);System.out.println("Volatile counter: "+volatileCounter);System.out.println("Atomic counter: "+atomicCounter.get());}privatestaticvoidsynchronizedExample(){Runnabletask=()->{for(inti=0;i<1000;i++){synchronized(SynchronizedVsVolatileVsCAS.class){counter++;}}};Threadthread1=newThread(task);Threadthread2=newThread(task);thread1.start();thread2.start();}privatestaticvoidvolatileExample(){Runnabletask=()->{for(inti=0;i<1000;i++){// 注意：volatile只能保证可见性，不能保证原子性// 这里可能有竞态条件导致计数不准确volatileCounter++;}};Threadthread1=newThread(task);Threadthread2=newThread(task);thread1.start();thread2.start();}privatestaticvoidcasExample(){Runnabletask=()->{for(inti=0;i<1000;i++){while(true){intcurrent=atomicCounter.get();intnext=current+1;if(atomicCounter.compareAndSet(current,next)){break;}}}};Threadthread1=newThread(task);Threadthread2=newThread(task);thread1.start();thread2.start();}}

解释

• synchronizedExample()：使用synchronized关键字确保每次只有一个线程可以执行counter++操作，从而保证计数的准确性。但这样可能会带来性能上的开销。

• volatileExample()：虽然volatileCounter能被所有线程看到最新的值，但由于++操作本身不是原子性的，在高并发情况下会导致计数不准确。

• casExample()：通过AtomicInteger和CAS机制实现无锁的原子递增。在竞争不激烈的情况下，这种机制比synchronized更高效；但在极端高并发下可能会由于重试次数增加而影响性能。

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