Java 線程同步進階（四）：同步方法、同步塊與 Lock 接口實戰

承接前文，通過計分板組件 ScoreLabel 實戰演示多線程環境下的同步策略演進。

競態條件實戰：計分邏輯

public class ScoreLabel extends JLabel implements CharacterListener {
    private volatile int score = 0;
    private int char2type = -1;
    private CharacterSource generator, typist;

    public synchronized void newCharacter(CharacterEvent ce) {
        if (ce.source == generator) {           // 產生字符
            if (char2type != -1) { score--; setScore(); }
            char2type = ce.character;
        } else {                                // 用戶輸入
            if (char2type != ce.character) score--;
            else { score++; char2type = -1; }
            setScore();
        }
    }
    // resetGenerator/resetTypist/resetScore/setScore 均同步
}

痛點：newCharacter() 由多線程並發調用，涉及多變量（score、char2type）的複合操作，volatile 單變量可見性無法解決「檢查-執行」原子性問題。

同步方法 vs 同步塊

物件鎖機制

• 同步方法隱式鎖定 this（實例鎖）
• 靜態同步方法鎖定 Class 對象（類鎖）
• 實例鎖與類鎖獨立，可同時持有

同步與非同步方法共存風險

非同步方法繞過鎖檢查，可任意時間執行 → 防衛性設計：所有訪問共享狀態的方法均應同步。

縮小鎖範圍：同步塊

public void newCharacter(CharacterEvent ce) {
    if (ce.source == generator) {
        synchronized (this) { /* 生產者邏輯 */ }
    } else {
        synchronized (this) { /* 消費者邏輯 */ }
    }
}

或鎖定共享數據對象而非 this，進一步降低爭用。

JDK 5 Lock 接口：顯式鎖控制

private Lock scoreLock = new ReentrantLock();

public void newCharacter(CharacterEvent ce) {
    if (ce.source == generator) {
        scoreLock.lock();
        try { /* 生產者邏輯 */ } finally { scoreLock.unlock(); }
    } else {
        scoreLock.lock();
        try { /* 消費者邏輯 */ } finally { scoreLock.unlock(); }
    }
}

Lock 核心優勢

• 靈活作用域：鎖獲取/釋放不綁定方法邊界
• 可傳遞/存儲：多物件共享同一 Lock，單物件持有多把鎖
• 非阻塞嘗試：tryLock() / tryLock(timeout) 避免無限等待
• 公平鎖選項：new ReentrantLock(true) 保證 FIFO 獲取，防飢餓

重構優化：策略方法提煉

private synchronized void newGeneratorCharacter(int c) { /* ... */ }
private synchronized void newTypistCharacter(int c) { /* ... */ }

public synchronized void newCharacter(CharacterEvent ce) {
    if (ce.source == generator) newGeneratorCharacter(ce.character);
    else newTypistCharacter(ce.character);
}

注意：私有策略方法仍加 synchronized，防止未來維護者誤調用（嵌套鎖機制保證同一線程重入不阻塞）。

可重入鎖與死鎖防範

• 嵌套鎖計數：同一線程重複獲取同一鎖計數遞增，退出遞減至 0 釋放
• ReentrantLock 支援 getHoldCount()、isHeldByCurrentThread()、getQueueLength() 監控
• 死鎖難檢測：系統無法自動解決，需通過鎖排序、超時機制、避免回調中持有鎖等工程規範預防

選型建議