Java 多執行緒經典案例：火車站三窗口同步售票系統

問題場景

火車站有 100 張票，三個窗口（執行緒）同時售票。需確保：

• 每張票只賣一次（無重賣、無漏賣）
• 票賣完後所有窗口停止
• 輸出每張票的賣出窗口與剩餘票數

核心程式碼

class PP implements Runnable {
    public int tickets = 100;           // 共享票數
    String str = new String("123");     // 同步鎖物件
    
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (str) {        // 同步區塊
                if (tickets > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                        + "賣出去的票數是:" + tickets);
                    tickets--;
                } else {
                    break;              // 票賣完，跳出迴圈結束執行緒
                }
            }
        }
    }
}

public class Threade_14 {
    public static void main(String[] args) {
        PP pp = new PP();               // 單一任務實例，共享 tickets
        Thread tt1 = new Thread(pp);    // 窗口 1
        Thread tt2 = new Thread(pp);    // 窗口 2
        Thread tt3 = new Thread(pp);    // 窗口 3
        tt1.start();
        tt2.start();
        tt3.start();
    }
}

關鍵設計解析

1. 共享資料封裝在 Runnable 實例中

• tickets 為 PP 實例變數
• 三個 Thread 共用同一 PP 實例 pp
• 自然實現資料共享，無需 static 或外部容器

2. 同步鎖物件選擇

String str = new String("123");  // 專用鎖物件
synchronized (str) { ... }

• 使用獨立 String 物件作為鎖，避免鎖住 this 或類字面常數造成外部干擾
• synchronized(this) 也可行，但若外部程式碼也鎖 pp 實例會擴大競爭範圍
• ❌ synchronized("123") 錯誤：字串常數池可能被其他類別共用，導致非預期阻塞

3. 同步區塊粒度

synchronized (str) {
    if (tickets > 0) {  // 檢查與遞減在同一原子操作中
        print...
        tickets--;
    } else break;
}

• 將「檢查條件」與「修改共享變數」放在同一關鍵區段
• 避免「檢查通過 → 切換執行緒 → 另一執行緒也通過檢查 → 重複賣同一張票」的競態條件

執行流程模擬

Thread-0賣出去的票數是:100
Thread-1賣出去的票數是:99
Thread-2賣出去的票數是:98
Thread-0賣出去的票數是:97
...
Thread-1賣出去的票數是:1
Thread-2賣出去的票數是:0  ← 最後一張票
// 所有執行緒檢查 tickets<=0 後 break 結束

常見錯誤與修正

現代 Java 改良版（Java 5+）

class TicketSeller implements Runnable {
    private final AtomicInteger tickets = new AtomicInteger(100);
    
    public void run() {
        while (true) {
            int current = tickets.decrementAndGet();  // 原子遞減並取得舊值
            if (current >= 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                    + "賣出票號:" + (current + 1) + " 剩餘:" + current);
            } else {
                tickets.incrementAndGet();  // 還原最後一次遞減
                break;
            }
        }
    }
}

• AtomicInteger：無鎖原子操作，效能優於 synchronized
• decrementAndGet()：原子性「遞減並回傳新值」
• 無需顯式鎖物件，程式碼更簡潔安全

進階考量

• 公平性：預設 synchronized 非公平，可用 ReentrantLock(true) 實現公平鎖
• 效能：高競爭下 AtomicInteger 或 LongAdder（Java 8）優於鎖
• 擴展性：票務系統實務需考慮分散式一致性、資料庫交易、補償機制