Java多线程与高并发专题——原子类和 volatile、synchronized 有什么异同？

原子类和 volatile异同

首先，通过我们对原子类和的了解，原子类和volatile 都能保证多线程环境下的数据可见性。在多线程程序中，每个线程都有自己的工作内存，当多个线程访问共享变量时，可能会出现一个线程修改了共享变量的值，而其他线程不能及时看到最新值的情况。原子类和volatile关键字都能在一定程度上解决这个问题。例如，当一个变量被volatile修饰后，对该变量的写操作会立即刷新到主内存，读操作会直接从主内存读取，保证了其他线程能看到最新的值；原子类同样可以保证对变量操作的结果能被其他线程及时看到。

下面我们通过一个代码去看看它们的差异：

/**
 * 该类用于演示 volatile 关键字和 AtomicInteger 类在多线程环境下的不同表现。
 * 展示了使用 volatile 变量和 AtomicInteger 类进行自增操作的差异。
 */
public class VolatileVsAtomic {
    // 用 volatile 修饰的变量，保证变量的可见性，但不保证操作的原子性
    private static volatile int volatileCount = 0;
    // 原子类，提供原子操作，保证操作的原子性
    private static AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0);

    /**
     * 主方法，程序的入口点。
     * 创建多个线程，分别对 volatile 变量和 AtomicInteger 类的实例进行自增操作，并输出结果。
     *
     * @param args 命令行参数
     * @throws InterruptedException 如果线程在等待时被中断
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 定义线程数量
        int threadCount = 10;
        // 创建线程数组
        Thread[] threads = new Thread[threadCount];

        // 使用 volatile 变量进行自增操作
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            // 创建线程
            threads[i] = new Thread(() -> {
                // 每个线程执行 1000 次自增操作
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    // 此操作不是原子性的，可能会出现数据竞争问题
                    volatileCount++;
                }
            });
            // 启动线程
            threads[i].start();
        }
        // 等待所有线程执行完毕
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        // 输出 volatile 变量的最终值
        System.out.println("Volatile count: " + volatileCount);

        // 重置计数器
        volatileCount = 0;
        atomicCount.set(0);

        // 使用原子类进行自增操作
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            // 创建线程
            threads[i] = new Thread(() -> {
                // 每个线程执行 1000 次自增操作
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    // 原子性自增操作，保证操作的原子性
                    atomicCount.incrementAndGet();
                }
            });
            // 启动线程
            threads[i].start();
        }
        // 等待所有线程执行完毕
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        // 输出 AtomicInteger 类实例的最终值
        System.out.println("Atomic count: " + atomicCount.get());
    }
}

输出结果如下：

在上述代码中，volatileCount是一个被volatile修饰的变量，多个线程对其进行自增操作时，由于自增操作不是原子性的，最终结果可能小于预期值；而atomicCount是一个AtomicInteger类型的原子类，多个线程对其进行自增操作时，能保证操作的原子性，最终结果是准确的。

原子类和 volatile 的使用场景

那下面我们就来说一下原子类和 volatile 各自的使用场景。

我们可以看出，volatile 和原子类的使用场景是不一样的，如果我们有一个可见性问题，那么可以使用 volatile 关键字，但如果我们的问题是一个组合操作，需要用同步来解决原子性问题的话，那么可以使用原子变量，而不能使用 volatile 关键字。

通常情况下，volatile 可以用来修饰 boolean 类型的标记位，因为对于标记位来讲，直接的赋值操作本身就是具备原子性的，再加上 volatile 保证了可见性，那么就是线程安全的了。

而对于会被多个线程同时操作的计数器 Counter 的场景，这种场景的一个典型特点就是，它不仅仅是一个简单的赋值操作，而是需要先读取当前的值，然后在此基础上进行一定的修改，再把它给赋值回去。这样一来，我们的 volatile 就不足以保证这种情况的线程安全了。我们需要使用原子类来保证线程安全。

原子类和 synchronized异同

原子类和 synchronized 关键字都可以用来保证线程安全，下面我们分别用原子类和 synchronized 关键字来解决一个经典的线程安全问题，给出具体的代码对比，然后再分析它们背后的区别。

首先，原始的线程不安全的情况的代码如下所示：

/**
 * BaseTest 类实现了 Runnable 接口，用于演示多线程并发修改共享变量的情况。
 * 该类包含一个静态变量 value，多个线程会同时对其进行递增操作。
 */
public class BaseTest implements Runnable{
    // 静态变量 value，用于存储线程递增的结果
    static int value = 0;

    /**
     * main 方法是程序的入口点，创建并启动两个线程来执行 BaseTest 实例的 run 方法。
     * 等待两个线程执行完毕后，打印最终的 value 值。
     * 
     * @param args 命令行参数
     * @throws InterruptedException 如果线程在等待过程中被中断
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建 BaseTest 实例
        Runnable runnable = new BaseTest();
        // 创建第一个线程并传入 BaseTest 实例
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        // 创建第二个线程并传入 BaseTest 实例
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        // 启动第一个线程
        thread1.start();
        // 启动第二个线程
        thread2.start();
        // 等待第一个线程执行完毕
        thread1.join();
        // 等待第二个线程执行完毕
        thread2.join();
        // 打印最终的 value 值
        System.out.println(value);
    }

    /**
     * run 方法是 Runnable 接口的实现，包含一个循环，将 value 变量递增 10000 次。
     */
    @Override
    public void run() {
        // 循环 10000 次，每次将 value 加 1
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            value++;
        }
    }
}

在代码中我们新建了一个 value 变量，并且在两个线程中对它进行同时的自加操作，每个线程加 10000次，然后我们用 join 来确保它们都执行完毕，最后打印出最终的数值。

因为 value++ 不是一个原子操作，所以上面这段代码是线程不安全的，所以代码的运行结果会小于 20000，例如我执行的结果如下：

我们首先给出方法一，也就是用原子类来解决这个问题，代码如下所示：

/**
 * AtomicTest 类实现了 Runnable 接口，用于演示使用 AtomicInteger 进行线程安全的计数操作。
 * 该类创建了两个线程，每个线程都会对一个静态的 AtomicInteger 实例进行 10000 次递增操作。
 * 最后，主线程等待两个子线程执行完毕，并输出最终的计数值。
 */
public class AtomicTest implements Runnable {
    // 静态的 AtomicInteger 实例，用于线程安全的计数操作
    static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    /**
     * 程序的入口点，创建并启动两个线程，等待它们执行完毕，然后输出最终的计数值。
     *
     * @param args 命令行参数，在本程序中未使用。
     * @throws InterruptedException 如果在等待线程执行完毕时被中断。
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个 AtomicTest 实例，作为线程的任务
        Runnable runnable = new AtomicTest();
        // 创建第一个线程并传入任务
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        // 创建第二个线程并传入任务
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        // 启动第一个线程
        thread1.start();
        // 启动第二个线程
        thread2.start();
        // 等待第一个线程执行完毕
        thread1.join();
        // 等待第二个线程执行完毕
        thread2.join();
        // 输出最终的计数值
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }

    /**
     * 实现 Runnable 接口的 run 方法，该方法会对 atomicInteger 进行 10000 次递增操作。
     */
    @Override
    public void run() {
        // 循环 10000 次，每次对 atomicInteger 进行递增操作
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            // 原子地递增 atomicInteger 的值并返回更新后的值
            atomicInteger.incrementAndGet();
        }
    }
}

用原子类之后，我们的计数变量就不再是一个普通的 int 变量了，而是 AtomicInteger 类型的对象，并且自加操作也变成了 incrementAndGet 法。由于原子类可以确保每一次的自加操作都是具备原子性的，所以这段程序是线程安全的，所以以上程序的运行结果会始终等于 20000。

下面我们给出方法二，我们用 synchronized 来解决这个问题，代码如下所示：

/**
 * SynTest 类用于演示多线程环境下的同步机制。
 * 该类实现了 Runnable 接口，多个线程可以共享同一个实例来执行任务。
 * 通过同步块确保对静态变量 value 的安全访问。
 */
public class SynTest  implements Runnable {
    // 静态变量，用于记录所有线程累加的结果
    static int value = 0;

    /**
     * 程序的入口点，创建并启动两个线程来执行任务。
     *
     * @param args 命令行参数
     * @throws InterruptedException 如果线程在等待时被中断
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建 SynTest 类的实例
        Runnable runnable = new SynTest();
        // 创建第一个线程并传入 Runnable 实例
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        // 创建第二个线程并传入 Runnable 实例
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        // 启动第一个线程
        thread1.start();
        // 启动第二个线程
        thread2.start();
        // 等待第一个线程执行完毕
        thread1.join();
        // 等待第二个线程执行完毕
        thread2.join();
        // 输出最终累加结果
        System.out.println(value);
    }

    /**
     * 实现 Runnable 接口的 run 方法，定义线程要执行的任务。
     * 在这个方法中，线程会对静态变量 value 进行 10000 次累加操作。
     */
    @Override
    public void run() {
        // 循环 10000 次
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            // 使用同步块确保同一时间只有一个线程可以访问和修改 value 变量
            synchronized (this) {
                // 对 value 变量进行累加操作
                value++;
            }
        }
    }
}

它与最开始的线程不安全的代码的区别在于，在 run 方法中加了 synchronized 代码块，就可以非常轻松地解决这个问题，由于 synchronized 可以保证代码块内部的原子性，所以以上程序的运行结果也始终等于 20000，是线程安全的。

原子类和 synchronized 的使用对比

下面我们就对这两种不同的方案进行分析。

第一点，我们来看一下它们背后原理的不同。

synchronized 保证线程安全的核心是 monitor 锁，同步方法和同步代码块的背后原理会有少许差异，但总体思想是一致的：在执行同步代码之前，需要首先获取到 monitor 锁，执行完毕后，再释放锁。而原子类保证线程安全的原理是利用了 CAS 操作。从这一点上看，虽然原子类和 synchronized 都能保证线程安全，但是其实现原理是大有不同的。

第二点不同是使用范围的不同。

对于原子类而言，它的使用范围是比较局限的。因为一个原子类仅仅是一个对象，不够灵活。而synchronized 的使用范围要广泛得多。比如说 synchronized 既可以修饰一个方法，又可以修饰一段代码，相当于可以根据我们的需要，非常灵活地去控制它的应用范围。

所以仅有少量的场景，例如计数器等场景，我们可以使用原子类。而在其他更多的场景下，如果原子类不适用，那么我们就可以考虑用 synchronized 来解决这个问题。

第三个区别是粒度的区别。

原子变量的粒度是比较小的，它可以把竞争范围缩小到变量级别。通常情况下，synchronized 锁的粒度都要大于原子变量的粒度。如果我们只把一行代码用 synchronized 给保护起来的话，有一点杀鸡焉用牛刀的感觉。

第四点是它们性能的区别，同时也是悲观锁和乐观锁的区别。

因为 synchronized 是一种典型的悲观锁，而原子类恰恰相反，它利用的是乐观锁。所以，我们在比较synchronized 和 AtomicInteger 的时候，其实也就相当于比较了悲观锁和乐观锁的区别。

从性能上来考虑的话，悲观锁的操作相对来讲是比较重量级的。因为 synchronized 在竞争激烈的情况下，会让拿不到锁的线程阻塞，而原子类是永远不会让线程阻塞的。不过，虽然 synchronized 会让线程阻塞，但是这并不代表它的性能就比原子类差。

因为悲观锁的开销是固定的，也是一劳永逸的。随着时间的增加，这种开销并不会线性增长。而乐观锁虽然在短期内的开销不大，但是随着时间的增加，它的开销也是逐步上涨的。

所以从性能的角度考虑，它们没有一个孰优孰劣的关系，而是要区分具体的使用场景。在竞争非常激烈的情况下，推荐使用 synchronized；而在竞争不激烈的情况下，使用原子类会得到更好的效果。

值得注意的是，synchronized 的性能随着 JDK 的升级，也得到了不断的优化。synchronized 会从无锁升级到偏向锁，再升级到轻量级锁，最后才会升级到让线程阻塞的重量级锁。因此synchronized 在竞争不激烈的情况下，性能也是不错的。