Java多線程編程基礎（三）：synchronized、wait/notify、內存模型與線程協作核心

前言：同步是多線程正確性的基石

多線程共享可變狀態時，原子性、可見性、有序性三大特性若無保障，必現數據競爭、指令重排、內存可見性失效等並發Bug。Java提供synchronized、volatile、wait/notify、Lock/Condition、原子類等機制。本文深度解析核心同步原語與Java內存模型 (JMM)。

一、 互斥鎖：synchronized 關鍵字

1. 三種鎖定目標

// ① 實例方法鎖：this
public synchronized void instanceMethod() { ... }

// ② 靜態方法鎖：Class對象
public static synchronized void staticMethod() { ... }

// ③ 同步塊：顯式指定鎖對象
public void blockSync(Object lock) {
    synchronized (lock) { ... } // 鎖住lock對象
}

2. 鎖對象選擇原則

3. 鎖升級與優化 (HotSpot)

無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 (CAS) → 重量級鎖 (OS互斥量)
     (單線程)    (低競爭)         (高競爭)

• 偏向鎖：首次獲得線程標記對象頭，後續無CAS開銷。撤銷需全局安全點
• 輕量級鎖：CAS將Mark Word指向線程棧Lock Record，自旋等待
• 重量級鎖：ObjectMonitor，OS互斥量，線程阻塞/喚醒

二、 線程協作：wait/notify/notifyAll — Object方法，非Thread方法

核心規則（必須牢記）

1. 只能在同步塊/方法中調用：持有鎖對象的監視器
2. 調用wait()釋放鎖，進入等待集 (WaitSet)，線程狀態WAITING/TIMED_WAITING
3. 調用notify()/notifyAll()不釋放鎖，喚醒等待集中線程，喚醒線程需重新競爭鎖
4. 虛假喚醒：線程可能無通知自動醒來，**必須用while(condition)循環檢查**

標準協作模板

class BoundedQueue {
    private final List queue = new ArrayList<>();
    private final int capacity;

    public synchronized void put(T item) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) wait(); // while而非if！
        queue.add(item);
        notifyAll(); // 喚醒消費者
    }

    public synchronized T take() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) wait();
        T item = queue.remove(0);
        notifyAll(); // 喚醒生產者
        return item;
    }
}

notify vs notifyAll 選擇

• notify()：隨機喚醒一個，**僅當所有等待線程等待同一條件、且喚醒任意一個都能正確處理時使用**（極少見）
• notifyAll()：喚醒所有，**默認首選**，避免信號丟失、死鎖、活性失效

三、 Java內存模型 (JMM) — 並發正確性的契約

三大特性

happens-before 核心規則 (JSR-133)

1. 程序順序：單線程內按代碼順序
2. 鎖規則：unlock happens-before 同鎖後續 lock
3. volatile規則：寫 volatile happens-before 讀同 volatile
4. 線程啟動：Thread.start() happens-before 線程內任意操作
5. 線程終止：線程內操作 happens-before Thread.join() 返回
6. 中斷規則：interrupt() happens-before 被中斷線程檢測到中斷
7. final規則：構造器寫 final 域 happens-before 對象引用可見
8. 傳遞性：A hb B, B hb C → A hb C

指令重排約束

編譯器/CPU可重排指令，**但不改變單線程語義**。volatile/synchronized插入內存屏障禁止特定重排：

• volatile寫：StoreStore + StoreLoad 屏障
• volatile讀：LoadLoad + LoadStore 屏障
• synchronized進/出：全屏障

四、 volatile 關鍵字：輕量級同步

class VolatileDemo {
    volatile boolean stopped = false; // 可見性保證
    long counter = 0; // 非volatile，64位非原子！

    void run() {
        while (!stopped) counter++; // 編譯器可能將stopped讀取提取出循環！volatile阻止
    }
    void stop() { stopped = true; } // 寫入立即對其他線程可見
}

適用場景：狀態標誌、雙重檢查鎖單例、獨立觀察者模式。**不適用**：複合操作（count++）、不變量維護（需鎖/原子類）。

五、 經典生產者-消費者完整實現

class ProdConQueue {
    private final T[] items;
    private int putIdx = 0, takeIdx = 0, count = 0;
    private final Object notFull = new Object();
    private final Object notEmpty = new Object();

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public ProdConQueue(int capacity) { items = (T[]) new Object[capacity]; }

    public void put(T item) throws InterruptedException {
        synchronized (notFull) {
            while (count == items.length) notFull.wait();
            items[putIdx] = item;
            putIdx = (putIdx + 1) % items.length;
            count++;
            synchronized (notEmpty) { notEmpty.notifyAll(); }
        }
    }

    public T take() throws InterruptedException {
        synchronized (notEmpty) {
            while (count == 0) notEmpty.wait();
            T item = items[takeIdx];
            items[takeIdx] = null;
            takeIdx = (takeIdx + 1) % items.length;
            count--;
            synchronized (notFull) { notFull.notifyAll(); }
            return item;
        }
    }
}

雙鎖設計：notFull/notEmpty分離生產者/消費者等待集，減少競爭。實際生產用ArrayBlockingQueue/LinkedBlockingQueue。

六、 總結與下一站

本文掌握核心同步原語：

1. synchronized：監視器鎖、三種鎖對象、升級優化、私有final對象最佳
2. wait/notify：Object方法、同步塊內調用、wait釋放鎖、notify不釋放、while循環檢查、notifyAll首選
3. JMM happens-before：八大規則構建可見性/有序性保證網
4. volatile：可見性+有序性、無原子性、雙重檢查鎖、狀態標誌

下一站：JUC並發包核心——Lock/Condition、AQS原理、原子類、並發集合、線程池、CompletableFuture、虛擬線程。