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理解线程安全性问题_原子性、可见性与有序性三大特征解析

P粉602998670

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发布时间:2026-02-25 17:41:03

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来源于php中文网

原创

volatile能解决可见性但不能解决原子性,因其仅保证变量最新值的立即可见,不保证“读-改-写”复合操作的原子执行。

理解线程安全性问题_原子性、可见性与有序性三大特征解析

volatile 能解决可见性,但不能解决原子性

很多开发者看到 flag 变量被多个线程读写,第一反应是加 volatile —— 这确实能让线程 1 看到线程 2 对 flag 的修改,但如果你的逻辑里有类似 count++list.add() 这种“读-改-写”复合操作,volatile 就完全失效了。

原因很简单:volatile 只保证变量的**最新值能被其他线程立即看到**(可见性),不保证这个“看到”的过程不会被其他线程插队(原子性)。比如 count++ 实际分三步:从主内存读 count → 寄存器加 1 → 写回主内存;中间任何一步都可能被切换,导致两个线程同时读到 100,各自加 1 后都写回 101。

  • ✅ 适合场景:状态标志位(如 runningisShutdown)、单次写入多次读取的配置项
  • ❌ 不适合场景:计数器、集合增删、依赖前后值的判断逻辑(如 if (x == 5) x = 10;
  • ⚠️ 常见坑:用 volatile List<string></string> 以为线程安全 —— 其实 volatile 只保证引用本身可见,list.add() 方法内部仍非原子

synchronized 锁的是对象,不是代码或变量

synchronized(this)synchronized 实例方法时,锁住的是当前实例对象;写 synchronized(ClassName.class) 或静态方法时,锁的是类对象。很多人误以为“加了 synchronized 就万事大吉”,结果发现多线程还是出错 —— 很可能是不同线程操作的是不同实例,或者锁的对象不一致。

例如两个线程分别 new 一个 Counter 实例并调用其 synchronized increment(),它们互不干扰,因为锁的是各自的 this,不是共享资源本身。

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  • ✅ 正确做法:共享资源(如计数器数值)应由同一个锁保护;若资源是静态的,锁也该是 ClassName.class
  • ❌ 错误示范:synchronized(new Object()) { ... } —— 每次新建对象,根本没锁住任何东西
  • ⚠️ 性能影响:synchronized 在 JDK 6+ 已优化(偏向锁→轻量锁→重量锁),但高竞争下仍可能成为瓶颈;避免在循环内、高频调用路径上无谓加锁

指令重排序让“看起来没问题”的代码在线程间失效

Java 编译器和 CPU 都可能对指令重排序,只要不影响单线程语义。但多线程下,这种“优化”会破坏你预设的执行顺序。最典型的就是双重检查单例中的 instance = new Singleton() —— 它实际包含三步:分配内存 → 初始化对象 → 将引用赋给 instance。后两步可能被重排,导致其他线程拿到一个尚未初始化完成的对象引用。

这时候仅靠 synchronizedvolatile 单独用都不够:前者只在构造时起作用,后者必须修饰 instance 才能禁止重排序(JDK 5+ 内存模型规定 volatile 写具有“发布”语义)。

  • ✅ 必须加 volatile 的场景:延迟初始化的单例、需要“先初始化再发布”的对象引用
  • ❌ 不加 volatile 的双重检查:可能返回 partially constructed 对象,触发 NullPointerException 或诡异状态
  • ⚠️ happens-before 关系才是底层依据:volatile 写 → volatile 读、synchronized 解锁 → 后续加锁,这些关系才真正约束重排序边界

AtomicInteger 等原子类不是万能的,ABA 问题真实存在

AtomicIntegerAtomicReference 用 CAS 实现无锁原子更新,性能通常优于 synchronized,但有个经典陷阱:ABA 问题。比如一个线程读到 value == A,准备 CAS 更新;此时另一个线程把 A→B→A,第一个线程的 CAS 仍成功,但它不知道中间发生了什么。

这在大多数计数场景影响不大,但在涉及链表节点、状态机跳转等依赖“变化过程”的逻辑中就危险了 —— 比如一个节点被移除又重建,地址相同但语义已变。

  • ✅ 解决方案:用 AtomicStampedReferenceAtomicMarkableReference,给每次修改带上版本号或标记位
  • ❌ 直接替换为 synchronized:过度设计,牺牲了无锁优势;应先确认是否真受 ABA 影响
  • ⚠️ 注意点:版本号溢出(int stamp 到达 MAX_VALUE)在极少数长周期服务中需考虑,但日常几乎不用操心
多线程安全不是“加个关键字就完事”,而是要根据操作性质(读?写?读写混合?)、共享粒度(变量?对象?全局状态?)、执行频率(一次?高频?)来选机制。最容易被忽略的,其实是“你以为的顺序”和“JVM/CPU 实际执行的顺序”之间那道看不见的鸿沟。

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