synchronized 与 volatile

S6-002建议学高级约 90 分钟JDK 21Java 高级与架构 · 并发编程

1. 本节定位

《并发基础：线程、锁与内存模型》 提出问题；本节是两种同步手段的分工：

synchronized：互斥 + 可见性（重，但全能）
volatile    ：只有可见性（轻，但只读场景）

★ 本节实测（ConcurrencyLesson）：

synchronized：10 万次自增一次不丢（3.4 万微秒）✓✓
volatile int ：丢 197 次更新 ✗✗ —— 「volatile 计数器」是错的 ✓✓✓

2. 学习目标

• 能说清两者能力边界 ★★★；
• 知道 volatile 的两个正当用途与一个大误区 ★★★；
• 知道锁升级 ★★；
• 会用场景矩阵选手段 ★★★。

3. 前置知识检查

• 知道 happens-before 吗？（《并发基础：线程、锁与内存模型》）✓

4. 为什么需要这个知识

★ 实测已证明 ✗✗：volatile 计数器丢 197 次；synchronized 同规模一次不丢。 但 volatile 不是没用 ——它是「停止标志、配置开关、双检锁」的必需品 ✓✓

5. 核心概念

5.1 能力矩阵 ★★★

能力	synchronized	volatile
原子性（读改写）	✓	✗（实测丢 197）
可见性	✓	✓
禁止重排	✓	✓
阻塞	会阻塞	不阻塞 ✓
范围	代码块/方法	单个变量 ✗

★★★ 选择口诀：只写一次多方读 → volatile ✓；读改写 → 锁或原子类 ✓；多变量一起变 → 锁 ✓

5.2 volatile 的两个正当用途 ★★★

1. 状态标志 ★★★：停止标志/配置开关——一次写、多方读、无读改写 ✓✓
2. 双检锁单例的 instance ★★★：防「分配-初始化-赋值」重排（否则别的线程拿到半成品）✗✗

★ 反例回顾 ✗✗：volatile 计数器（本节实测复现）

5.3 synchronized 的锁升级 ★★

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁（CAS 自旋）→ 重量级锁（OS 互斥量）

JDK 15 起偏向锁已废弃 ✓；低竞争轻量级锁快 ✓；高竞争膨胀 ⚠️； 锁要粒度小、持有时间短 ✓✓（呼应 《Sentinel 限流与熔断》）

5.4 使用清单 ★★★

场景	手段
停止标志/开关 ★★★	volatile boolean ✓
计数器/累加 ★★★	AtomicLong / LongAdder ✓
复合不变量（多字段一起变）★★★	synchronized ✓
单例 instance ★★	volatile 双检锁，或静态内部类/枚举 ✓
读多写少的映射 ★★	ConcurrentHashMap（《JUC 工具类与并发容器》）✓

6. 递进示例

6.1 volatile 标志

private static volatile boolean running = true;
public void shutdown() { running = false; }

6.2 双检锁单例

private static volatile Instance instance;    // ★ 必须 volatile
public static Instance get() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Instance.class) {
            if (instance == null) { instance = new Instance(); }
        }
    }
    return instance;
}

6.3 反例：volatile 计数器（实测复现 ✗✗）

private volatile int count;
void increment() { count++; }    // ✗✗ 可见性有了，原子性没有：实测丢 197 次更新
// 修复：synchronized increment() / AtomicInteger / LongAdder（高竞争最优）

7. 完整可运行代码与实测

代码：labs/java-deep/src/main/java/cn/kb/learn/deep/concurrency/ConcurrencyLesson.java

实测输出：

===== 2. synchronized 修复 =====
  期望 100000，实际 100000 —— 一次都没丢 ✓✓（33782 微秒）
===== 3. volatile 不保证原子性 =====
  volatile int 期望 100000，实际 99803 —— 仍然丢失更新 ✗✗

8. Debug 观察点

1. 对比丢失数量（0 vs 197）✓✓；
2. javap -v 看 monitor 指令 ✓；
3. 换 AtomicLong 再跑 ✓。

9. 常见错误

#	错误	说明
1	volatile 计数器 ✗✗	实测丢 197 ✓✓
2	volatile 修饰数组/集合元素 ✗✗	管不到元素 ✓
3	双检锁不加 volatile ✗✗	半成品实例 ✓✓
4	锁对象可变 ✗	监视器失效 ⚠️
5	锁内调外部方法 ✗✗	死锁不可控 ✓✓

10. 动手实验

1. 跑两个对照实验，记录丢失数量（0 vs 197）✓✓；
2. 换 ReentrantLock（《Lock、CAS 与 AQS》）对比 ✓；
3. 写双检锁单例并验证 ✓✓。

验收方式：能解释「为什么实验 3 丢了 197 次」。

扩展任务：实现无锁的最近值缓存（volatile 引用 + 不可变快照）✓✓

11. 练习题

1. 判断：volatile 能替代 synchronized。（对 / 错）
2. 填空：volatile 保证 ______ 与禁止重排，不保证 ______。
3. 简答：双检锁为什么必须 volatile？
4. （选择）配置项启动加载、运行时可热更——用什么？
5. （设计）多字段对象（x,y 一起更新）如何保证一致？

参考答案（要点）

1. 错 ✗✗。volatile 无互斥，读改写会丢（实测 197）✓✓★
2. 可见性；原子性 ✓
3. new 是三步，重排后另一线程可能拿到未初始化的引用；volatile 禁止重排 ✓✓★
4. volatile ✓（一次写多方读）✓★
5. 不可变对象整体替换（volatile 引用指向不可变快照）✓✓；或 synchronized ✓★

12. 掌握标准

• [ ] 能说清两者能力边界 ★★★；
• [ ] 知道 volatile 两个正当用途与计数器误区 ★★★；
• [ ] 知道锁升级 ★★；
• [ ] 会用场景矩阵选手段 ★★★。

13. 扩展资源

• JCIP《Java 并发编程实战》

14. 下一步学习

《Lock、CAS 与 AQS》。

前置知识

• S6-001 并发基础：线程、锁与内存模型

后续知识

• S6-003 Lock、CAS 与 AQS

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