Java 並發編程：共享可變變量的線程安全四大解決方案

線程不安全的根本原因

編寫線程安全代碼需關注兩個核心條件：

1. 共享：多線程可同時訪問同一變量
2. 可變：變量值在生命週期內會發生改變

只有同時滿足「共享」且「可變」時，才會產生線程安全問題。

經典反例：非線程安全計數器

public class UnsafeCounter {
    private int count = 0; // 共享且可變
    
    public void increase() { // 無同步機制
        count++; // 非原子操作：讀取-修改-寫入
    }
    
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

count++ 編譯為三條位元組碼指令：getfield、iadd、putfield，多線程交執行時會導致更新丟失。

四大解決方案詳解

方案一：線程封閉 —— 不共享變量

將變量限制在單線程內部，天然線程安全。

// 方法區域變量：每次調用創建新副本，線程隔離
public int add(int count) {
    return ++count; // 區域變量在棧上，線程私有
}

// ThreadLocal：每線程獨立副本
private final ThreadLocal<Integer> threadLocalCount = 
    ThreadLocal.withInitial(() -> 0);

public void increase() {
    threadLocalCount.set(threadLocalCount.get() + 1);
}

適用場景：請求級數據、資料庫連線、SimpleDateFormat 等非線程安全物件。

方案二：不可變模式 —— 讓變量不可變

// final 修飾基本類型：引用不可變，值也不可變
private final int COUNT = 0;

// final 修飾引用類型：引用不可變，但對象內部狀態可能可變
private final Map<String, String> CONFIG = Collections.unmodifiableMap(new HashMap<>());

// 真正不可變對象：所有欄位 final、無 setter、不洩露 this 參考
public final class ImmutablePoint {
    private final int x, y;
    public ImmutablePoint(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; }
    public int getX() { return x; }
    public int getY() { return y; }
}

核心原則：不可變對象永遠線程安全，無需同步。

方案三：同步機制 —— 協訪問順序

// 方法級同步：鎖定 this
public synchronized void increase() {
    count++;
}

// 代碼塊同步：縮小鎖範圍
public void increase() {
    synchronized(this) {
        count++;
    }
}

// 顯式 Lock：功能更豐富
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void increase() {
    lock.lock();
    try {
        count++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

方案四：原子變量類 —— 無鎖線程安全

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicCounter {
    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
    public void increase() {
        count.incrementAndGet(); // 原子性自增
    }
    
    public int getCount() {
        return count.get();
    }
    
    // 複合操作仍需注意：compareAndSet 支援 CAS
    public boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return count.compareAndSet(expect, update);
    }
}

方案選擇決策樹

常見誤區提醒

• volatile 僅保證可見性，**不保證原子性**（如 i++ 仍不安全）
• synchronized 方法鎖的是 this，靜態方法鎖的是 Class 對象
• 集合類 Vector、Hashtable 雖同步但效能差，優先用並發集合