引言

小米最近在準(zhǔn)備社招面試，畢竟在互聯(lián)網(wǎng)這條“卷”路上，稍微停滯不前，就可能被更年輕的程序員們彎道超車(chē)。為了在面試中脫穎而出，小米最近瘋狂刷面試題，尤其是多線程相關(guān)的知識(shí)。

這天，小米和面試官約了一場(chǎng)線上面試，一上來(lái)面試官就丟出了一個(gè)高頻問(wèn)題：

“Java 中 volatile 變量和 Atomic 變量有什么不同？”

小米心里一緊，心想：“這不就是面試八股文里常見(jiàn)的問(wèn)題嗎？” 于是，他開(kāi)始了自信的作答……

volatile 變量：能見(jiàn)度好，但不保證原子性

1. volatile 是什么？

小米微微一笑，說(shuō)道：

volatile 關(guān)鍵字的作用是保證變量的可見(jiàn)性，防止指令重排序。

通俗點(diǎn)說(shuō)，Java 的 volatile 變量類(lèi)似于“全員廣播”模式。每當(dāng)某個(gè)線程修改了這個(gè)變量，其他線程都能立刻看到最新的值，不會(huì)出現(xiàn)“臟數(shù)據(jù)”。

2. volatile 如何保證可見(jiàn)性？

JMM（Java 內(nèi)存模型） 規(guī)定，volatile 變量在寫(xiě)入時(shí)，會(huì)多做一步操作：

• 普通變量賦值： 線程先從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，復(fù)制到自己的工作內(nèi)存，修改后再寫(xiě)回主內(nèi)存，其他線程無(wú)法感知這個(gè)變化。
• volatile 變量賦值： 直接刷新到主內(nèi)存，并讓所有線程的緩存失效，從而保證所有線程都能立即看到最新的值。

就像是小米早上給群發(fā)了一條消息：“今天團(tuán)建改到 3 點(diǎn)！” 這樣，所有人都能立即收到，而不會(huì)有人還在按照原來(lái)的時(shí)間去行動(dòng)。

3. 但 volatile 不能保證原子性

面試官點(diǎn)了點(diǎn)頭，然后笑著問(wèn)：“那 volatile 變量能保證原子性嗎？”

小米立刻搖頭：“不能！”

他舉了個(gè)例子：

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看上去 count++ 只是一個(gè)簡(jiǎn)單的自增操作，但實(shí)際上它是三步操作：

• 讀取 count 的值
• 執(zhí)行 +1 操作
• 將新值寫(xiě)回 count

如果有兩個(gè)線程 A 和 B 同時(shí)執(zhí)行 increment() 方法：

• A 讀取 count=0，執(zhí)行 count+1，還沒(méi)來(lái)得及寫(xiě)回
• B 也讀取 count=0，執(zhí)行 count+1，然后寫(xiě)回
• A 最后寫(xiě)回 count=1

本來(lái)執(zhí)行兩次 increment()，結(jié)果 count 還是 1，丟失了一次更新！這就是“并發(fā)問(wèn)題”。

所以，volatile 僅僅保證了變量的可見(jiàn)性，并不能保證操作的原子性！

Atomic 變量：天生線程安全，保證原子性

小米接著說(shuō)道：“如果想保證原子性，Java 提供了 java.util.concurrent.atomic 包，里面的 Atomic 變量是更好的選擇?！?/p>

1. 什么是 Atomic 變量？

Atomic 變量 依靠 CAS（Compare-And-Swap） 機(jī)制來(lái)保證原子性。

還是剛才的例子，如果我們改用 AtomicInteger：

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這樣，多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用 increment() 方法時(shí)，就不會(huì)丟失數(shù)據(jù)了。

2. Atomic 如何保證原子性？

Atomic 變量的核心是 CAS（比較并交換，Compare-And-Swap），它的原理是：

• 讀取舊值 oldValue
• 計(jì)算新值 newValue
• 使用 CPU 指令 嘗試將 oldValue 更新為 newValue
• 如果 oldValue 還是舊值，就更新成功；如果已經(jīng)被其他線程修改了，就重新嘗試。

這種方式避免了傳統(tǒng)的 鎖（synchronized） 帶來(lái)的性能問(wèn)題，CAS 是無(wú)鎖并發(fā)的基礎(chǔ)，比 synchronized 更高效！

不過(guò)，CAS 也不是萬(wàn)能的，它可能導(dǎo)致“ABA 問(wèn)題”（變量值在中間被修改了，但最終又變回去了），解決方案是 AtomicStampedReference 這種帶版本號(hào)的原子變量。

volatile vs Atomic：到底該選誰(shuí)？

面試官看小米講得這么清楚，問(wèn)道：“所以，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，volatile 和 Atomic 該怎么選呢？”

小米總結(jié)道：

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如果只是需要保證變量的可見(jiàn)性，而不涉及并發(fā)修改，可以使用 volatile，比如：

• 線程間的標(biāo)志位
• double check 機(jī)制的 instance 變量

如果需要保證變量的原子性，應(yīng)該使用 Atomic 變量，比如：

• 計(jì)數(shù)器（AtomicInteger）
• 線程安全的累加器（LongAdder）

面試官的加分題

面試官滿意地點(diǎn)了點(diǎn)頭，然后問(wèn)：“那 synchronized 和 Atomic 有什么不同呢？”

小米心想：“這不就是送分題嗎？”

他笑著回答：

• synchronized 是一種阻塞式的同步機(jī)制，線程會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，性能開(kāi)銷(xiāo)較大。
• Atomic 變量是非阻塞的，它基于 CAS 操作，不會(huì)讓線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，因此更高效。
• synchronized 適合需要多個(gè)變量一起同步的場(chǎng)景，而 Atomic 適合單個(gè)變量的無(wú)鎖操作。

面試官點(diǎn)頭：“不錯(cuò)，今天的面試到這里，回去等通知吧！”

小米掛斷電話，感覺(jué)這次面試發(fā)揮得不錯(cuò)，心里暗自高興。為了幫助更多正在找工作的朋友，他在朋友圈里分享了今天的面試知識(shí)點(diǎn)：

• volatile 只保證可見(jiàn)性，不保證原子性
• Atomic 變量使用 CAS 機(jī)制，保證原子性，適用于計(jì)數(shù)、累加等操作
• synchronized 適用于多個(gè)變量的同步，Atomic 適用于單個(gè)變量的高效無(wú)鎖操作