Java 多線程同步問題探究（一）：為什麼需要線程同步

線程同步問題引入

Java 多線程編程中，線程同步是極重要面向。常見解決方法：

1. 方法簽名加 synchronized
2. synchronized 代碼塊
3. JDK 5 java.util.concurrent.locks.Lock

另可用 JDK 1.2 ThreadLocal 保證更好並發性。本系列詳細討論同步機制並探討 ThreadLocal。

大綱

1. 線程的先來後到 — 問題提出：為什麼要同步？機制是什麼？
2. 給我一把鎖，我能創造一個規矩 — 傳統同步編程方法
3. Lock 來了，大家都讓開 — Java 並發框架 Lock 詳解
4. 協作，互斥下的協作 — wait/notify/notifyAll
5. 你有我有全都有 — ThreadLocal 解決並發安全
6. 總結 — Java 線程安全幾種方法對比

一、線程的先來後到

生活化比喻：餐廳衛生間

衛生間小，僅容一人。如廁者進入鎖門（獲取鎖），其他人必須等待直到門開（釋放鎖）。衛生間=共享資源，如廁者=線程。無門時多人湧入必發生爭執、步驟被打亂、意外結果。有門則各自順利完成不被干擾。這就是「先來後到」。

JVM 中的鎖概念

多線程競爭同一資源時，如何保證不「打架」？同步機制：一旦第一線程進入過程，第二線程必須等待第一線程正常返回並退出，才能開始。關鍵在「鎖」。

JVM 視角的鎖

• JVM 協調兩類線程共享數據：堆中實例變量、方法區中類變量（Java 棧數據屬線程私有，無需協調）
• 每個對象和類邏輯上關聯一個監視器：對象監視器保護實例變量，類監視器保護類變量
• 為實現監視器排他性，JVM 為每對象/類關聯一把鎖：任何時刻只允許一線程擁有
• 線程獲取鎖後，釋放前無其他線程可獲取同數據鎖（鎖住對象=獲取關聯監視器）
• 類鎖用對象鎖實現：載入 class 時建立 java.lang.Class 實例，鎖類時實際鎖其 Class 物件
• 可重入：線程可多次對同一對象上鎖，JVM 維護計數器，獲取+1、釋放-1、歸零完全釋放
• 程式設計師無需手動加鎖，對象鎖是 JVM 內部使用
• 用 synchronized 塊/方法標記監視區域，進入時 JVM 自動鎖對象/類

核心結論

有限資源被多線程共享時，為保證互斥訪問，必須排出先來後到。對象鎖在此扮演關鍵角色。詳情請看系列第二篇。