Java多线程并发编程实战深入解析synchronized与volatile关键字的工作原理与应用场景

synchronized关键字的工作原理

synchronized是Java中实现线程同步的关键字，它通过内置锁（Monitor）机制来确保同一时刻只有一个线程能够执行特定代码段。synchronized可以修饰方法或代码块，其工作原理基于对象头中的Mark Word和监视器锁（Monitor）的获取与释放。当线程进入synchronized修饰的代码时，它会尝试获取对象的监视器锁。如果锁未被其他线程占用，该线程会成功获取锁并执行代码；若锁已被占用，线程会进入阻塞状态，直到锁被释放。synchronized还保证可见性和有序性，因为线程在释放锁时会强制将工作内存中的修改刷新到主内存，而在获取锁时会清空工作内存并从主内存重新加载变量。

volatile关键字的工作原理

volatile是Java中用于保证变量可见性和禁止指令重排序的关键字。当一个变量被声明为volatile时，任何线程对该变量的写操作都会立即刷新到主内存，且读操作会直接从主内存读取最新值。volatile通过内存屏障（Memory Barrier）实现这些特性：写操作后插入写屏障确保数据同步到主内存，读操作前插入读屏障确保读取最新值。但volatile不保证原子性，例如count++这样的复合操作仍需额外同步措施。volatile的典型应用场景包括状态标志位（如boolean runFlag）和双重检查锁定（Double-Checked Locking）模式。

synchronized的应用场景

synchronized适用于需要原子性操作的场景，例如对共享资源的复合操作（如银行转账、计数器递增等）。它可以修饰实例方法（锁定当前实例对象）、静态方法（锁定类的Class对象）或代码块（指定锁定对象）。在生产者-消费者模型或线程池任务分配中，synchronized能有效避免竞态条件。但需注意，过度使用synchronized可能导致性能下降，因为线程阻塞和唤醒涉及上下文切换开销。

volatile的应用场景

volatile适用于读多写少的场景，且操作需具备可见性但无需原子性保证。典型例子包括状态控制标志（如线程终止标志while(!stop)）、单例模式的双重检查锁（结合volatile修饰实例变量），以及读写锁的轻量级替代方案（如仅需保证写入立即对读线程可见）。但需注意，volatile无法替代synchronized用于需要原子性的复合操作（如i++）。

synchronized与volatile的对比与选择

synchronized提供互斥性、原子性、可见性和有序性，而volatile仅提供可见性和有序性。在需要确保多个操作原子执行时（如修改多个变量），必须使用synchronized；若仅需保证单个变量的可见性且无复合操作，volatile是更轻量级的选择。实际开发中，可根据场景组合使用两者，例如在双重检查锁定中，volatile避免指令重排序，synchronized保证线程安全初始化。