Java 多執行緒核心：線程安全與 synchronized 關鍵字深度解析

何時發生線程安全問題？

單執行緒無安全問題。多執行緒同時存取共享資源（變數、物件、檔案、資料庫）且執行順序不可控時，可能導致結果與預期不符或程式崩潰。

經典案例：重複插入檢查

兩執行緒同時讀取資料 X → 同時檢查資料庫無 X → 同時插入 X → 產生重複資料。此時資料庫表為臨界資源。

解決核心：序列化存取臨界資源

採用同步互斥：同一時間僅允許一執行緒存取臨界資源。Java 提供兩種機制：synchronized 與 Lock。

synchronized 兩大使用形式

1. 同步方法

public synchronized void insert(Thread t) {
    for (int i=0; i<5; i++) {
        System.out.println(t.getName() + " 插入 " + i);
        list.add(i);
    }
}

效果：執行緒順序執行，Thread-0 完成後 Thread-1 才開始。

2. 同步程式碼塊

public void insert(Thread t) {
    synchronized (this) { // 或 synchronized (lockObject)
        // 僅此處同步，粒度更細
    }
}

優勢：僅同步必要區段，提升並發效能。

synchronized 關鍵規則

靜態同步與實例同步的區別

public synchronized void instanceMethod() { ... }        // 鎖：this (實例)
public static synchronized void staticMethod() { ... }   // 鎖：Class 物件

• 實例同步鎖住當前實例
• 靜態同步鎖住Class 物件（所有實例共用）
• 兩者互不阻塞：一執行緒進實例同步，另一執行緒可進靜態同步

位元碼層面原理

• 同步方法：方法資訊標記 ACC_SYNCHRONIZED，JVM 自動進入/退出時獲取/釋放鎖
• 同步塊：編譯為 monitorenter / monitorexit 指令對，對應鎖計數器 +1/-1

synchronized 進階注意事項

1. 不可繼承：子類覆寫父類同步方法不會自動同步，需重新加 synchronized
2. 避免鎖住不可變物件：String、Integer 等常量池物件可能導致非預期共享鎖
3. 粒度越小越好：優先用同步塊鎖住關鍵區段，而非整個方法
4. 死鎖預防：固定鎖獲取順序、使用 tryLock(timeout)（需 Lock 介面）

效能優化建議

• JDK 1.6+ 引入偏向鎖、輕量級鎖、鎖消除、鎖粗化等優化，synchronized 效能已大幅提升
• 高併發場景考慮 ReentrantLock（公平鎖、可中斷、條件變數）
• 讀多寫少用 ReentrantReadWriteLock 或 StampedLock