Java 多執行緒同步機制深度探究：從 synchronized 到 Lock 與 ThreadLocal

為什麼需要同步？── 廁所裡的「門」

想像一間只能容納一人的公共廁所。沒有門時，大家衝進去會大亂鬥；裝上門並上鎖，第二人就必須等第一人出來才能進入。這就是互斥存取：共享資源（廁所）同一時間只允許一個執行緒（使用者）進入臨界區（如廁過程）。

在 Java 中，這把「門」就是物件鎖。每個物件天生擁有一把鎖，JVM 透過監視器實現互斥。

JVM 層面的鎖機制

• 共享資料： 堆中實例變數、方法區類變數。區域變數在執行緒私有堆疊，無需同步。
• 每個物件/類別關聯一個監視器，監視器持有鎖。
• 執行緒進入 synchronized 區塊/方法時，自動嘗試獲取鎖；獲取成功計數器 +1，離開 -1，歸零釋放。
• 可重入： 同一執行緒可重複獲取同一把鎖。
• 類別鎖實為 Class 物件鎖： static synchronized 鎖住 Xxx.class。

三種傳統同步寫法

1. 同步實例方法

public synchronized void doTask() { ... }

鎖住 this。簡單但粒度較粗，整個方法互斥。

2. 同步區塊

public void doTask() {
    synchronized(lockObj) { // 指定鎖物件，縮小臨界區
        // 核心邏輯
    }
}

靈活控制鎖範圍，提升並發度。關鍵：多執行緒必須共用同一個 lockObj 實例。

3. 同步靜態方法

public static synchronized void staticTask() { ... }

鎖住 CurrentClass.class，所有實例共享這把鎖。

JDK 5+ 新選擇：java.util.concurrent.locks.Lock

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    // 臨界區
} finally {
    lock.unlock(); // 必須在 finally 釋放
}

優勢：

• 可中斷獲取鎖（lockInterruptibly()）。
• 可設定等待逾時（tryLock(timeout)）。
• 公平/非公平鎖可選。
• 可搭配 Condition 實現精細等待/通知。

另類思路：ThreadLocal ── 空間換時間，無鎖並發

不共享、就不需同步。ThreadLocal 為每個執行緒提供獨立副本：

ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal<>();
threadLocal.set(1); // 當前執行緒專屬
Integer val = threadLocal.get();

• 適用於「執行緒隔離」場景：資料庫連線、Session 上下文、交易 ID 追蹤。
• 避免鎖競爭，極大提升高並發吞吐。
• 注意：執行緒池環境下必須手動 remove() 防止記憶體洩漏。

同步策略選型對照

總結

同步本質是協調共享資源存取順序。理解 JVM 物件鎖、監視器、可重入機制，才能正確選擇 synchronized、Lock 或 ThreadLocal。現代開發優先考慮無鎖設計（ThreadLocal、原子類別、不可變物件），必要時再用精細鎖控制，避免過度同步導致效能瓶頸與死鎖風險。