Java 多執行緒同步實戰：synchronized 關鍵字與銀行帳戶競態條件解決方案

多執行緒同步核心問題：競態條件

當多執行緒同時存取共享可變資料時，若缺乏同步機制，會發生競態條件，導致資料不一致。本文以銀行帳戶存提款為例，示範問題重現與 synchronized 解決方案。

1. 競態條件重現：未同步版本

class Account {
    private String name;
    private float balance;

    public Account(String name, float balance) {
        this.name = name;
        this.balance = balance;
    }

    // 存款：非同步
    public void deposit(float amount) {
        float tmp = balance;
        tmp += amount;
        sleep(100); // 模擬資料庫操作延遲
        balance = tmp;
    }

    // 提款：非同步
    public void withdraw(float amount) {
        float tmp = balance;
        tmp -= amount;
        sleep(100);
        balance = tmp;
    }

    public float getBalance() { return balance; }
    private void sleep(long ms) {
        try { Thread.sleep(ms); } catch (InterruptedException ignored) {}
    }
}

// 測試：1000 執行緒各存 100 再提 100，預期餘額 1000
public class AccountTest {
    private static final int THREADS = 1000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account acc = new Account("John", 1000f);
        Thread[] threads = new Thread[THREADS];

        for (int i = 0; i < THREADS; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                acc.deposit(100f);
                acc.withdraw(100f);
            });
            threads[i].start();
        }

        for (Thread t : threads) t.join();
        System.out.println("最終餘額: " + acc.getBalance()); // 非 1000！
    }
}

執行結果（每次不同）

最終餘額: 3900.0
最終餘額: 4900.0
最終餘額: 4700.0
最終餘額: 5200.0

2. 問題分析

• 非原子性操作：balance = tmp 非單一指令，中間可被切換執行緒。
• 共享可變狀態：balance 為競爭資源。
• 交錯執行：執行緒 A 讀取 balance，執行緒 B 也讀取同值，各自計算後寫回，導致一方更新遺失。

3. synchronized 解決方案

方法層級同步

public synchronized void deposit(float amount) {
    float tmp = balance;
    tmp += amount;
    sleep(1); // 縮短睡眠仍會觸發競態
    balance = tmp;
}

public synchronized void withdraw(float amount) {
    float tmp = balance;
    tmp -= amount;
    sleep(1);
    balance = tmp;
}

機制：每個物件擁有內建鎖（monitor）。呼叫 synchronized 方法需取得該物件鎖，釋放後其他執行緒才能進入。

區塊同步（細粒度控制）

public void deposit(float amount) {
    synchronized (this) { // 或 synchronized(lockObject)
        float tmp = balance;
        tmp += amount;
        sleep(1);
        balance = tmp;
    }
}

4. 執行結果驗證

加上 synchronized 後，多次執行皆輸出：

最終餘額: 1000.0

5. 為何 getBalance() 不需同步？

• 單純讀取 float（32 位元）在 JVM 為原子操作（JLS 17.7）。
• 但若為 long/double（64 位元），32 位元 JVM 可能非原子，需 volatile 或同步。
• 最佳實務：讀寫皆同步或用 AtomicReference/AtomicLong，確保可見性與一致性。

6. 進階同步工具（JDK 5+）

7. 最佳實務總結

1. 識別共享可變狀態 → 最小化共享範圍。
2. 優先用不可變物件、執行緒區域變數、無鎖資料結構。
3. 必須同步時：synchronized 簡單場景，Lock 複雜需求。
4. 鎖粒度：越小越好，但避免過度細分增加複雜度。
5. 避免在同步區塊呼叫外部方法/耗時操作。
6. 死鎖預防：固定鎖獲取順序、使用 tryLock(timeout)。