Java 多執行緒核心：synchronized 關鍵字深度解析（物件鎖、方法鎖、同步塊、記憶體可見性）

一、synchronized 三種鎖定方式

1. 修飾實例方法 → 鎖當前物件

public class MyObject {
    public synchronized void methodA() {
        // 鎖定 this
    }
}

等同於：

public void methodA() {
    synchronized(this) { /* ... */ }
}

2. 修飾靜態方法 → 鎖 Class 物件

public class MyObject {
    public static synchronized void staticMethod() {
        // 鎖定 MyObject.class
    }
}

3. 同步代碼塊 → 鎖指定物件

public void methodB() {
    synchronized(lockObject) { // 可鎖 this、自定義物件、Class 物件
        // 臨界區
    }
}

二、核心特性：同步互斥與記憶體可見性

1. 互斥性

同一把鎖同一時間只能被一個執行緒持有。同一物件的多個 synchronized 方法互斥：

public class Counter {
    private int count = 0;
    public synchronized void increment() { count++; }
    public synchronized void decrement() { count--; }
    public synchronized int get() { return count; }
}

執行緒 A 呼叫 increment() 時，執行緒 B 呼叫 decrement() 或 get() 會阻塞等待。

2. 可見性

synchronized 語義包含 解鎖前將工作記憶體刷新到主記憶體、加鎖後從主記憶體讀取最新值，保證多執行緒對共享變數修改的可見性（JMM happens-before 規則）。

三、實戰案例：防止髒讀

public class UserAccount {
    private String username = "default";
    private String password = "default";

    public synchronized void update(String username, String password) {
        this.username = username;
        try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException e) {}
        this.password = password;
    }

    public synchronized void print() {
        System.out.println("user=" + username + ", pwd=" + password);
    }
}

場景模擬

1. 執行緒 A 呼叫 update("newUser", "newPass")，執行到 sleep 釋放 CPU
2. 若 print() 無 synchronized → 執行緒 B 讀到 username="newUser", password="default"（髒讀）
3. 有 synchronized → 執行緒 B 阻塞等待 A 釋放鎖，讀到一致狀態

四、進階：鎖升級與偏向鎖 (JDK 6+)

五、最佳實踐與避坑

• 鎖粒度最小化：同步塊優於同步方法，僅包裹臨界區
• 避免鎖活物件：synchronized(new Object()) 每次新物件無效；用 final Object lock = new Object()
• 不可變物件當鎖風險：String、Integer 常量池可能導致非預期共享鎖
• 死鎖預防：固定鎖獲取順序、使用 tryLock(timeout)、避免巢狀鎖
• 效能替代：ReentrantLock（可中斷、公平鎖、Condition）、Atomic*、LongAdder、ConcurrentHashMap

六、總結

synchronized 是 Java 並發基石，提供互斥與可見性雙重保證。理解鎖對象（this、Class、自定義）、鎖升級機制、JMM 語義，是寫出正確高效並發程式的前提。