Java 並發核心：synchronized 與 volatile 深度對比與實戰選型

核心問題：可見性 vs 原子性

多線程下對共享變量的訪問，核心衝突在於可見性（一線程寫入，另一線程能否立即看到）與原子性（操作不可分割）。volatile 解決可見性，synchronized 同時保證可見性與原子性（互斥）。

JMM 與 Happens-Before 模型

Java 記憶體模型（JMM）規定：若操作 A 的結果需對操作 B 可見，則 A happens-before B。此關係跨線程也成立。

volatile 內存語義

• 寫：立即刷新工作記憶體至主記憶體。
• 讀：直接從主記憶體讀取，忽略工作記憶體副本。
• 編譯器與 CPU 禁止指令重排（內存屏障）。

synchronized 內存語義

• 進入同步塊：讀取主記憶體最新值到工作記憶體（可見性）。
• 退出同步塊：將工作記憶體修改刷回主記憶體（可見性）。
• 全程持有鎖，保證互斥，從而實現原子性。

實戰驗證：可見性與原子性邊界

案例 1：volatile 修復可見性失效

// 無 volatile：主線程修改 flag，子線程 while(true) 可能永遠不見更新
private volatile boolean isRunning = true; // 加上 volatile 後，子線程每次讀取強制從主存獲取，循環終止

案例 2：volatile 無法保證原子性

static volatile int count = 0;
// 100 線程各自 count++ 100 次，理論 10000，實際遠小於
// count++ 非原子：read-modify-write 三步，多線程交織導致丟失更新

案例 3：synchronized 保證原子性

private synchronized static void addCount() { // 鎖住方法
    for (int i = 0; i < 100; i++) count++;
}
// 輸出穩定遞增至 10000

選型決策表

進階提示

• synchronized 鎖升級（偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖）在 JDK 1.6+ 高度優化，非極端爭用下性能極佳。
• volatile 適用於「單次寫入、多次讀取」的發布模式（如 DCL 單例的 instance 字段）。
• 避免過度同步：縮小鎖範圍、使用線程本地變量、不可變物件。