引言

小米最近在準(zhǔn)備社招面試，畢竟在互聯(lián)網(wǎng)這條“卷”路上，稍微停滯不前，就可能被更年輕的程序員們彎道超車。為了在面試中脫穎而出，小米最近瘋狂刷面試題，尤其是多線程相關(guān)的知識。

這天，小米和面試官約了一場線上面試，一上來面試官就丟出了一個高頻問題：

“Java 中 volatile 變量和 Atomic 變量有什么不同？”

小米心里一緊，心想：“這不就是面試八股文里常見的問題嗎？” 于是，他開始了自信的作答……

volatile 變量：能見度好，但不保證原子性

1. volatile 是什么？

小米微微一笑，說道：

volatile 關(guān)鍵字的作用是保證變量的可見性，防止指令重排序。

通俗點說，Java 的 volatile 變量類似于“全員廣播”模式。每當(dāng)某個線程修改了這個變量，其他線程都能立刻看到最新的值，不會出現(xiàn)“臟數(shù)據(jù)”。

2. volatile 如何保證可見性？

JMM（Java 內(nèi)存模型） 規(guī)定，volatile 變量在寫入時，會多做一步操作：

• 普通變量賦值： 線程先從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，復(fù)制到自己的工作內(nèi)存，修改后再寫回主內(nèi)存，其他線程無法感知這個變化。
• volatile 變量賦值： 直接刷新到主內(nèi)存，并讓所有線程的緩存失效，從而保證所有線程都能立即看到最新的值。

就像是小米早上給群發(fā)了一條消息：“今天團建改到 3 點！” 這樣，所有人都能立即收到，而不會有人還在按照原來的時間去行動。

3. 但 volatile 不能保證原子性

面試官點了點頭，然后笑著問：“那 volatile 變量能保證原子性嗎？”

小米立刻搖頭：“不能！”

他舉了個例子：

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看上去 count++ 只是一個簡單的自增操作，但實際上它是三步操作：

• 讀取 count 的值
• 執(zhí)行 +1 操作
• 將新值寫回 count

如果有兩個線程 A 和 B 同時執(zhí)行 increment() 方法：

• A 讀取 count=0，執(zhí)行 count+1，還沒來得及寫回
• B 也讀取 count=0，執(zhí)行 count+1，然后寫回
• A 最后寫回 count=1

本來執(zhí)行兩次 increment()，結(jié)果 count 還是 1，丟失了一次更新！這就是“并發(fā)問題”。

所以，volatile 僅僅保證了變量的可見性，并不能保證操作的原子性！

Atomic 變量：天生線程安全，保證原子性

小米接著說道：“如果想保證原子性，Java 提供了 java.util.concurrent.atomic 包，里面的 Atomic 變量是更好的選擇。”

1. 什么是 Atomic 變量？

Atomic 變量 依靠 CAS（Compare-And-Swap） 機制來保證原子性。

還是剛才的例子，如果我們改用 AtomicInteger：

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這樣，多個線程同時調(diào)用 increment() 方法時，就不會丟失數(shù)據(jù)了。

2. Atomic 如何保證原子性？

Atomic 變量的核心是 CAS（比較并交換，Compare-And-Swap），它的原理是：

• 讀取舊值 oldValue
• 計算新值 newValue
• 使用 CPU 指令 嘗試將 oldValue 更新為 newValue
• 如果 oldValue 還是舊值，就更新成功；如果已經(jīng)被其他線程修改了，就重新嘗試。

這種方式避免了傳統(tǒng)的 鎖（synchronized） 帶來的性能問題，CAS 是無鎖并發(fā)的基礎(chǔ)，比 synchronized 更高效！

不過，CAS 也不是萬能的，它可能導(dǎo)致“ABA 問題”（變量值在中間被修改了，但最終又變回去了），解決方案是 AtomicStampedReference 這種帶版本號的原子變量。

volatile vs Atomic：到底該選誰？

面試官看小米講得這么清楚，問道：“所以，在實際開發(fā)中，volatile 和 Atomic 該怎么選呢？”

小米總結(jié)道：

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如果只是需要保證變量的可見性，而不涉及并發(fā)修改，可以使用 volatile，比如：

• 線程間的標(biāo)志位
• double check 機制的 instance 變量

如果需要保證變量的原子性，應(yīng)該使用 Atomic 變量，比如：

• 計數(shù)器（AtomicInteger）
• 線程安全的累加器（LongAdder）

面試官的加分題

面試官滿意地點了點頭，然后問：“那 synchronized 和 Atomic 有什么不同呢？”

小米心想：“這不就是送分題嗎？”

他笑著回答：

• synchronized 是一種阻塞式的同步機制，線程會進入阻塞狀態(tài)，性能開銷較大。
• Atomic 變量是非阻塞的，它基于 CAS 操作，不會讓線程進入阻塞狀態(tài)，因此更高效。
• synchronized 適合需要多個變量一起同步的場景，而 Atomic 適合單個變量的無鎖操作。

面試官點頭：“不錯，今天的面試到這里，回去等通知吧！”

小米掛斷電話，感覺這次面試發(fā)揮得不錯，心里暗自高興。為了幫助更多正在找工作的朋友，他在朋友圈里分享了今天的面試知識點：

• volatile 只保證可見性，不保證原子性
• Atomic 變量使用 CAS 機制，保證原子性，適用于計數(shù)、累加等操作
• synchronized 適用于多個變量的同步，Atomic 適用于單個變量的高效無鎖操作