Java 多執行緒同步機制詳解：synchronized、死鎖與最佳實務

什麼是執行緒同步？

當多個執行緒同時存取共享資源（變數、檔案、資料庫連線）時，若缺乏協調，會導致資料不一致或競爭條件。同步機制確保「同一時間只有一個執行緒能進入關鍵區段」，保證操作的原子性與可見性。

經典案例：火車票超賣問題

class SaleTickets implements Runnable {
    private int ticket = 1; // 只有一張票

    public void run() {
        if (ticket > 0) {           // 檢查
            Thread.sleep(...);      // 模擬網路延遲
            ticket--;               // 扣款
            System.out.println("售出");
        } else {
            System.out.println("售完");
        }
    }
}

兩個執行緒同時通過 if (ticket > 0) 檢查，導致同一張票被賣兩次，甚至 ticket 變成負數。

解決方案一：同步程式碼區塊

public void run() {
    synchronized (this) { // 鎖住目前物件
        if (ticket > 0) {
            Thread.sleep(...);
            ticket--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 售出，剩餘：" + ticket);
        } else {
            System.out.println("抱歉，已售完");
        }
    }
}

• synchronized(obj) 取得 obj 的內建鎖（monitor）。
• 鎖住 this 會鎖定整個物件；也可用私有 final Object lock = new Object(); 縮小鎖粒度。

解決方案二：同步方法

public synchronized void sale() {
    // 關鍵邏輯
}

• 非靜態同步方法鎖住 this；靜態同步方法鎖住 Class 物件。
• 優點：程式碼簡潔。缺點：鎖粒度較粗，且無法被繼承（子類別覆寫時需自行加 synchronized）。

進階主題

原子操作與 volatile

• i++ 不是原子操作（讀取、加一、寫入三步驟）。
• long/double 64 位元讀寫在 32 位元 JVM 可能非原子，需加 volatile 或用 AtomicLong。
• volatile 保證可見性與禁止指令重排，但不保證複合操作原子性。

死鎖

// 執行緒 1                    // 執行緒 2
synchronized(A) {               synchronized(B) {
    synchronized(B) {               synchronized(A) {
        // 死結                     // 死結
    }                           }
}

預防策略：

1. 固定鎖獲取順序（避免循環等待）。
2. 減少巢狀同步區塊。
3. 使用 tryLock(timeout)（需 java.util.concurrent.locks.Lock）。

效能考量

• 同步有開銷（鎖獲取/釋放、記憶體屏障）。
• 優先使用不可變物件、區域變數、ThreadLocal 避免共享。
• 必要時才同步，並縮小關鍵區塊範圍。

總結

同步是多執行緒安全的基石。掌握 synchronized 區塊/方法、volatile、原子類別與死鎖預防，能寫出正確且高效的並發程式。