引言

大家好！我是小米，今天帶來的是一場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開發(fā)者對多線程和并發(fā)處理能力的必考題。看似簡單的一道題，往往能考察你對并發(fā)的理解程度。

我們今天的任務(wù)，不是簡單地列舉每一個概念的定義，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、安全以及使用場景。

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故事的開端：一場并發(fā)戰(zhàn)爭的前奏

想象一下，你和你的朋友們在一家餐廳中等著點餐。餐廳的服務(wù)員有很多，但并不是每個人都可以同時為你服務(wù)。餐廳有一個原則——每個人只能在自己的座位上點餐，而每一份餐點都需要服務(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、準(zhǔn)確地到達。

在這個簡單的比喻中，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間，就是對這個共享資源的競爭。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。

這個故事的背后，藏著Java中的三大機制：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

餐廳的隊伍管理

當(dāng)服務(wù)員數(shù)量有限時，想讓每個顧客都能順利點餐，不發(fā)生混亂，一個簡單的隊伍管理機制就顯得格外重要。這個時候，餐廳引入了一個隊列系統(tǒng)：只有一個顧客可以在隊伍中與服務(wù)員交互，其他顧客必須排隊等候。這就像Java中的 synchronized，它為共享資源加上了鎖，確保在同一時刻只有一個線程（顧客）能夠訪問共享資源（點餐系統(tǒng)）。

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

示例代碼：

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在這個例子中，increment() 和 getCount() 方法被加上了 synchronized，意味著在同一時刻，只有一個線程能夠進入這兩個方法，從而避免了競爭條件。

鎖的代價

然而，synchronized 的缺點也非常明顯——它的性能開銷較大。因為它是通過操作系統(tǒng)提供的鎖機制來進行線程同步的，每當(dāng)一個線程獲取鎖時，其他線程必須等待，這樣就會導(dǎo)致上下文切換，性能上會有損耗。如果頻繁的獲取和釋放鎖，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量降低。

第二章：volatile——輕量級的線程間共享

餐廳的公告板

假設(shè)你和你的朋友們有時會等待菜品，或者看到公告板上的提示，決定是否去另外一個區(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。

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

示例代碼：

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在這個例子中，flag 被聲明為 volatile，這意味著當(dāng)一個線程修改了 flag 變量的值，其他線程能立即看到這個變化，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 來實現(xiàn)更復(fù)雜的操作，例如遞增一個計數(shù)器。如果你需要保證一個操作的原子性，volatile 并不是合適的選擇。它的作用是輕量級的同步，只適用于一些簡單的場景，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制：自助取餐。每個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。而這項自助技術(shù)的關(guān)鍵在于，它能夠確保顧客在選擇餐品時不會和其他顧客發(fā)生沖突。顧客如果拿走了某個菜品，其他人就不能選擇同一個菜品。

這個故事就像Java中的 CAS（Compare-And-Swap，比較并交換）機制。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)控制機制。

示例代碼：

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

CAS 的優(yōu)勢和缺點

CAS 的優(yōu)勢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爭。然而，CAS 也有其局限性。它只能保證單一操作的原子性，對于復(fù)雜的操作，它就不太適用了。此外，如果 CAS 操作失敗，系統(tǒng)可能會進行重試，這會帶來一定的性能損耗，特別是在高并發(fā)場景下。

結(jié)語：三者的選擇與取舍

通過這場并發(fā)戰(zhàn)爭的比喻，我們已經(jīng)了解了 synchronized、volatile 和 CAS 各自的特點及其優(yōu)缺點。那么，在實際開發(fā)中，我們該如何選擇它們呢？

• 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，選擇 synchronized。它的適用場景比較廣泛，但性能較低。
• volatile：當(dāng)你只需要保證變量的可見性時，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)志位等簡單場景。
• CAS：在高并發(fā)場景下，使用 CAS 來優(yōu)化性能，避免鎖帶來的性能損失。特別適用于計數(shù)器、隊列等需要頻繁修改的共享變量。