Java 多執行緒：為什麼需要資料同步？從「髒資料」到原子操作

變數分類與共享風險

• 區域變數：方法內定義，執行緒私有，無共享問題。
• 類變數（static）：屬於類，所有執行緒共享，必須同步。

若所有存取都是「讀取」，通常不需同步；只要有「寫入」，就必須保證同一時間只有一個執行緒操作。

經典「髒資料」示範

public class DirtyReadDemo extends Thread {
    public static int n = 0;

    public void run() {
        int m = n;   // 讀取
        Thread.yield(); // 主動讓出 CPU，放大競態機率
        m++;
        n = m;       // 寫回
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DirtyReadDemo demo = new DirtyReadDemo();
        Thread[] threads = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < 100; i++) threads[i] = new Thread(demo);
        for (Thread t : threads) t.start();
        for (Thread t : threads) t.join();
        System.out.println("n = " + n); // 預期 100，實際常 < 100
    }
}

輸出範例：n = 59。

為什麼 n++ 也不是原子的？

Java 編譯器將 n++ 編譯為多條 bytecode：

aload_0        // 載入 this
dup            // 複製引用
getfield       // 讀取 n
iconst_1       // 常數 1
iadd           // 整數加法
putfield       // 寫回 n

對應「複製到工作記憶體 → 運算 → 寫回主記憶體」三步驟，中間任何一步被切換都會產生競態。

Java 記憶體模型（JMM）視角

• 主記憶體：儲存所有共享變數（heap）。
• 工作記憶體：每條執行緒私有，儲存共享變數的副本（stack）。

執行緒操作共享變數流程：主記憶體 → 工作記憶體 → 運算 → 寫回主記憶體。無同步時，副本何時刷新不可預期，導致可見性與原子性問題。

解決方案：同步與原子操作

最佳實務建議

1. 優先使用 java.util.concurrent.atomic 包下的原子類別。
2. 必須用鎖時，盡量縮小同步區塊範圍（synchronized 區塊優於同步方法）。
3. 共享變數聲明 final 或 volatile 視語意而定，但複合操作仍需鎖或原子類別。
4. 避免在同步區塊內呼叫外部方法、耗時 I/O，降低鎖持有時間。

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