同步访问共享的可变数据(synchronized与volatile关键字)("深入解析synchronized与volatile：同步访问共享可变数据的最佳实践")

一、引言

在多线程编程中，同步访问共享可变数据是一个至关重要的问题。不正确的处理共享数据或许会让程序出现竞态条件、死锁等问题，从而影响程序的正确性和性能。Java提供了synchronized和volatile两个关键字来控制对共享数据的访问，本文将深入解析这两个关键字的原理和使用方法，以及怎样在实际编程中应用它们来确保线程平安。

二、synchronized关键字

synchronized关键字是Java中的一个同步机制，它可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或代码块。synchronized关键字可以修饰方法或代码块，其基本语法如下：

public synchronized void method() {
    // 方法体
}
public void method() {
    synchronized(this) {
        // 代码块
    }
}

2.1 同步方法

当一个方法被synchronized修饰时，它的锁是当前对象实例（对于实例方法）或类的Class对象（对于静态方法）。同一时刻，只有一个线程能够执行该对象的所有同步实例方法，或者该类的所有同步静态方法。

public class Counter {
    private int count = 0;
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

2.2 同步代码块

同步代码块可以更细粒度地控制同步，它使用synchronized(this)或synchronized(类名.class)来指定锁对象。同步代码块可以包含任何代码，而不仅仅是方法内的代码。

public class Counter {
    private int count = 0;
    public void increment() {
        synchronized(this) {
            count++;
        }
    }
}

三、volatile关键字

volatile关键字是Java提供的另一个轻量级的同步机制。当一个变量被声明为volatile时，它的读写操作都会直接对主内存进行，确保每个线程都能看到该变量的最新值。volatile的基本语法如下：

public volatile int count = 0;

3.1 volatile的原理

volatile关键字确保变量的可见性，即当一个线程修改了volatile变量的值，这个新值会立即被写入主内存，同时其他线程读取该变量时会从主内存中读取最新值。这避免了缓存一致性问题，但并不保证操作的原子性。

3.2 使用volatile的场景

volatile关键字适用于以下场景：

• 变量仅被一个线程写入，而被多个线程读取。
• 变量作为锁的标志位，用于控制同步代码块的执行。

public class Flag {
    private volatile boolean flag = false;
    public void start() {
        flag = true;
    }
    public void stop() {
        flag = false;
    }
    public void doWork() {
        while (flag) {
            // 执行工作
        }
    }
}

四、synchronized与volatile的选择

在多线程编程中，选择synchronized还是volatile取决于具体的使用场景。

4.1 使用synchronized的场景

当多个线程需要访问同一资源，并且这些线程或许会同时读写该资源时，应该使用synchronized。synchronized可以保证操作的原子性、可见性和有序性。

4.2 使用volatile的场景

当多个线程需要访问同一资源，但只有一个线程会写入该资源，其他线程只读取该资源时，可以使用volatile。volatile可以保证操作的可见性，但不能保证操作的原子性。

五、最佳实践

在实际编程中，以下是一些使用synchronized和volatile关键字的最佳实践：

5.1 避免过度同步

过度同步会让程序性能下降，由此应该尽量缩减同步的范围和持续时间。

5.2 明确同步需求

在同步之前，明确需要同步的资源，以及哪些线程会访问这些资源，这样可以更精确地选择同步策略。

5.3 使用锁分离

当多个操作不需要同时访问同一资源时，可以使用锁分离技术，缩减锁的竞争。

public class Counter {
    private final Object lock1 = new Object();
    private final Object lock2 = new Object();
    public void increment() {
        synchronized(lock1) {
            // 操作1
        }
        synchronized(lock2) {
            // 操作2
        }
    }
}

5.4 使用volatile作为状态标志

当需要控制线程执行或停止时，可以使用volatile变量作为状态标志。

六、总结

同步访问共享可变数据是多线程编程中的一个核心问题。synchronized和volatile是Java提供的两种同步机制，它们各自有不同的使用场景和特点。正确使用这两个关键字可以有效避免多线程并发的问题，尽或许缩减损耗程序的性能和稳定性。在实际编程中，应依具体需求选择合适的同步策略，并遵循最佳实践，以确保线程平安。

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