Java 併發經典問題：多線程賣票為何出現重複與負數？

代碼現象

class Ticket implements Runnable {
    private int num = 100;
    public void run() {
        while (true) {
            if (num > 0) {
                Thread.sleep(2);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sale " + num--);
            } else break;
        }
    }
}

輸出中出現：同一張票（如 8）被賣 4 次，甚至出現負數票（-1, -2）。

根本原因：複合操作非原子 + 線程調度競態

1. if (num > 0) —— 檢查
2. System.out.println(...) —— 輸出（耗時，易被搶佔）
3. num-- —— 遞減（讀取-修改-寫入，非原子）

三步組成「檢查-輸出-修改」複合操作，**非原子**，線程間可任意交錯：

線程A: if(8>0) → true
線程B: if(8>0) → true
線程C: if(8>0) → true
線程D: if(8>0) → true
線程A: print 8 → num=7
線程B: print 8 → num=6
線程C: print 8 → num=5
線程D: print 8 → num=4  // 8被賣4次
...
線程X: if(0>0) → false? 但已被搶佔執行print -- → -1

解決方案：同步機制保證原子性

方案一：synchronized 同步方法（推薦入門）

public synchronized void sale() {
    if (num > 0) {
        try { Thread.sleep(2); } catch (InterruptedException e) {}
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sale " + num--);
    }
}

// run() 中調用 sale()

方案二：synchronized 同步代碼塊（粒度更細）

public void run() {
    while (true) {
        synchronized (this) {  // this 指向共享的 Ticket 實例
            if (num > 0) {
                try { Thread.sleep(2); } catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sale " + num--);
            } else break;
        }
    }
}

方案三：ReentrantLock 顯式鎖（功能更強）

private Lock lock = new ReentrantLock();
public void run() {
    while (true) {
        lock.lock();
        try {
            if (num > 0) {
                try { Thread.sleep(2); } catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sale " + num--);
            } else break;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

方案四：AtomicInteger 無鎖 CAS（高性能）

private AtomicInteger num = new AtomicInteger(100);
public void run() {
    while (true) {
        int current = num.get();
        if (current > 0) {
            if (num.compareAndSet(current, current - 1)) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sale " + current);
            }
            // else 重試
        } else break;
    }
}

核心原則總結

1. 複合操作必須原子化：檢查+修改、讀取+寫入等多步操作需加鎖或用原子類。
2. 鎖保護的共享變量要一致：所有訪問 num 的代碼路徑必須持有同一把鎖。
3. 睡眠/IO 不要在同步塊中：示例為教學簡化，實際應將 sleep/println 移出同步塊，縮小臨界區。

理解「重複賣票」本質是「檢查-執行」非原子，是 Java 併發編程入門的關鍵一課。