引言

大家好！我是小米，今天帶來的是一場(chǎng)Java面試的重頭戲——synchronized、volatile、CAS的比較。這三者作為Java多線程編程中的三大關(guān)鍵概念，常常是面試官用來考察一個(gè)開發(fā)者對(duì)多線程和并發(fā)處理能力的必考題?？此坪?jiǎn)單的一道題，往往能考察你對(duì)并發(fā)的理解程度。

我們今天的任務(wù)，不是簡(jiǎn)單地列舉每一個(gè)概念的定義，而是通過講故事的方式，讓大家不僅理解它們的作用和區(qū)別，還能深刻理解它們背后所涉及的性能、安全以及使用場(chǎng)景。

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故事的開端：一場(chǎng)并發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)的前奏

想象一下，你和你的朋友們?cè)谝患也蛷d中等著點(diǎn)餐。餐廳的服務(wù)員有很多，但并不是每個(gè)人都可以同時(shí)為你服務(wù)。餐廳有一個(gè)原則——每個(gè)人只能在自己的座位上點(diǎn)餐，而每一份餐點(diǎn)都需要服務(wù)員來為你提交和準(zhǔn)備。你的任務(wù)是，要盡可能地把訂單提交給服務(wù)員，確保菜品能及時(shí)、準(zhǔn)確地到達(dá)。

在這個(gè)簡(jiǎn)單的比喻中，我們可以將服務(wù)員比作Java中的線程，而你的訂單就是要被提交的共享資源，你和朋友們的等待時(shí)間，就是對(duì)這個(gè)共享資源的競(jìng)爭(zhēng)。隨著餐廳中客人的增多，服務(wù)員的數(shù)量和工作效率就變得尤為關(guān)鍵。

這個(gè)故事的背后，藏著Java中的三大機(jī)制：synchronized、volatile和CAS。它們就像餐廳里的規(guī)則和技巧，幫助你高效而且安全地提交訂單。

第一章：synchronized——安全有保障的鎖

餐廳的隊(duì)伍管理

當(dāng)服務(wù)員數(shù)量有限時(shí)，想讓每個(gè)顧客都能順利點(diǎn)餐，不發(fā)生混亂，一個(gè)簡(jiǎn)單的隊(duì)伍管理機(jī)制就顯得格外重要。這個(gè)時(shí)候，餐廳引入了一個(gè)隊(duì)列系統(tǒng)：只有一個(gè)顧客可以在隊(duì)伍中與服務(wù)員交互，其他顧客必須排隊(duì)等候。這就像Java中的 synchronized，它為共享資源加上了鎖，確保在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程（顧客）能夠訪問共享資源（點(diǎn)餐系統(tǒng)）。

synchronized 是Java中的一個(gè)關(guān)鍵字，它提供了一種線程間同步的機(jī)制，能夠保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行被它修飾的代碼塊或方法。簡(jiǎn)單來說，synchronized 用來解決“線程安全問題”，防止多個(gè)線程在同一時(shí)刻修改共享變量，造成數(shù)據(jù)不一致。

示例代碼：

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在這個(gè)例子中，increment() 和 getCount() 方法被加上了 synchronized，意味著在同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程能夠進(jìn)入這兩個(gè)方法，從而避免了競(jìng)爭(zhēng)條件。

鎖的代價(jià)

然而，synchronized 的缺點(diǎn)也非常明顯——它的性能開銷較大。因?yàn)樗峭ㄟ^操作系統(tǒng)提供的鎖機(jī)制來進(jìn)行線程同步的，每當(dāng)一個(gè)線程獲取鎖時(shí)，其他線程必須等待，這樣就會(huì)導(dǎo)致上下文切換，性能上會(huì)有損耗。如果頻繁的獲取和釋放鎖，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量降低。

第二章：volatile——輕量級(jí)的線程間共享

餐廳的公告板

假設(shè)你和你的朋友們有時(shí)會(huì)等待菜品，或者看到公告板上的提示，決定是否去另外一個(gè)區(qū)域等待。你不需要每次都問服務(wù)員，只需要看公告板的內(nèi)容，如果公告板顯示已經(jīng)準(zhǔn)備好了菜品，你就可以立刻去領(lǐng)取。

這個(gè)例子中的公告板就像Java中的 volatile 變量。volatile 是一個(gè)輕量級(jí)的同步機(jī)制，它并不會(huì)像 synchronized 那樣讓線程阻塞或者等待，而是保證了線程對(duì)變量的可見性——當(dāng)一個(gè)線程修改了 volatile 變量，其他線程能夠馬上看到這個(gè)修改。

示例代碼：

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在這個(gè)例子中，flag 被聲明為 volatile，這意味著當(dāng)一個(gè)線程修改了 flag 變量的值，其他線程能立即看到這個(gè)變化，而不需要緩存它的值。

volatile 的局限性

volatile 只保證變量的可見性，而無法保證原子性和操作的順序性。這意味著你不能僅僅依靠 volatile 來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的操作，例如遞增一個(gè)計(jì)數(shù)器。如果你需要保證一個(gè)操作的原子性，volatile 并不是合適的選擇。它的作用是輕量級(jí)的同步，只適用于一些簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，比如標(biāo)志位的修改和檢查。

第三章：CAS——鎖的優(yōu)化

餐廳的快速自助取餐

最后，我們來到了餐廳的另一種有趣的機(jī)制：自助取餐。每個(gè)顧客都可以在自己的座位上使用自助設(shè)備，快速選擇和取餐，不用等候服務(wù)員。而這項(xiàng)自助技術(shù)的關(guān)鍵在于，它能夠確保顧客在選擇餐品時(shí)不會(huì)和其他顧客發(fā)生沖突。顧客如果拿走了某個(gè)菜品，其他人就不能選擇同一個(gè)菜品。

這個(gè)故事就像Java中的 CAS（Compare-And-Swap，比較并交換）機(jī)制。CAS 是一種基于硬件支持的原子操作，它通過比較內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和預(yù)期值是否相等，來決定是否交換數(shù)據(jù)。這種方式不需要鎖，而是通過原子性操作來保證線程安全，是一種非常高效的并發(fā)控制機(jī)制。

示例代碼：

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在這個(gè)例子中，AtomicInteger 類使用了 CAS 來保證對(duì) count 變量的原子操作。每次增加 count 時(shí)，CAS 會(huì)檢查 count 當(dāng)前的值是否符合預(yù)期，然后執(zhí)行自增操作。這個(gè)過程是原子性的，不需要加鎖。

CAS 的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)

CAS 的優(yōu)勢(shì)在于它是一種無鎖的操作，這使得它在并發(fā)高的環(huán)境下具有非常高的性能。由于它不涉及上下文切換，因此可以減少線程間的競(jìng)爭(zhēng)。然而，CAS 也有其局限性。它只能保證單一操作的原子性，對(duì)于復(fù)雜的操作，它就不太適用了。此外，如果 CAS 操作失敗，系統(tǒng)可能會(huì)進(jìn)行重試，這會(huì)帶來一定的性能損耗，特別是在高并發(fā)場(chǎng)景下。

結(jié)語：三者的選擇與取舍

通過這場(chǎng)并發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)的比喻，我們已經(jīng)了解了 synchronized、volatile 和 CAS 各自的特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)。那么，在實(shí)際開發(fā)中，我們?cè)撊绾芜x擇它們呢？

• synchronized：當(dāng)你需要保證一段代碼的互斥執(zhí)行，且操作較為復(fù)雜時(shí)，選擇 synchronized。它的適用場(chǎng)景比較廣泛，但性能較低。
• volatile：當(dāng)你只需要保證變量的可見性時(shí)，volatile 是一種高效的解決方案。但它并不保證原子性，因此適用于標(biāo)志位等簡(jiǎn)單場(chǎng)景。
• CAS：在高并發(fā)場(chǎng)景下，使用 CAS 來優(yōu)化性能，避免鎖帶來的性能損失。特別適用于計(jì)數(shù)器、隊(duì)列等需要頻繁修改的共享變量。