破除 Java 迷思（三）：原子操作不一定線程安全

常聞「Java 原子操作線程安全」。依定義原子操作不可中斷，故被視為線程安全。實際上，部分原子操作不保證線程安全。

迷思成因

為減少 synchronized 關鍵字使用（同步有效能損耗，雖現代 JVM 持續優化）。程式設計師追求效率，此議題延續至今。

Java 原子操作範圍

32 位元或以下賦值為原子。32 位平台上，除 double、long（64 位）外，其他基本型別與物件參考（機器指標，通常 32 位）操作均為原子。

小迷思：基本型別大小由語言保證？錯誤。Java 保證的是數值範圍而非 JVM 儲存大小。int 範圍固定，但某 JVM 可能用 32 位實作，另一個用 64 位。重申：所有平台保證的是數值範圍，32 位及以下值操作為原子。

原子操作何時不線程安全？

核心問題：JVM 允許線程在私有工作記憶體保存變數副本，為提升效能不強制每次讀主記憶體。雖賦值原子，但讀寫若針對私有副本而非主記憶體，線程安全不被保證。JVM 此行為亦非保證。

範例分析

class RealTimeClock {
    private int clkID;
    public int clockID() { return clkID; }
    public void setClockID(int id) { clkID = id; }
}

兩線程並發：T1 setClockID(5) 寫入私有記憶體；T2 setClockID(10) 寫入私有記憶體；T1 clockID() 從私有記憶體讀回 5。正確應回傳 10（T2 寫入主記憶體），實際回傳 5，發生可見性問題。

解決方案

私有副本與主記憶體一致需滿足兩條件之一：

1. 變數宣告 volatile：每次存取強制與主記憶體同步，語言保證原子性（含 64 位值）。注意：多數 JVM 未正確實作 volatile。
2. 變數在 synchronized 方法/區塊中存取：進入獲取鎖、退出釋放鎖時同步主記憶體。

效能權衡

• volatile：每次存取同步，更新頻繁時可能比同步更慢
• synchronized：僅鎖獲取/釋放時同步，但降低並發性

大量更新且不想每次同步、或需排除並發性時考慮同步。