Java synchronized 關鍵字實戰：同步方法與塊的線程安全演示

前言

synchronized 是 Java 並發編程的基石關鍵字，基於對象監視器實現互斥同步。本文通過銀行賬戶轉賬模擬，演示同步方法、靜態同步與非靜態同步的鎖對象差異，並總結 synchronized 與 Lock 的選型建議。

一、核心原理

• 每個 Java 對象/類關聯一把內部鎖：實例方法鎖 this、靜態方法鎖 Class 對象、同步塊鎖指定對象。
• 線程進入同步區需獲取鎖，退出（正常/異常）自動釋放，JVM 保證原子性。
• 可重入：同一線程可重複獲取同一鎖（計數器機制）。

二、範例一：實例同步方法保護共享賬戶

2.1 代碼結構

• Account：余額 balance，synchronized addAmount/subtractAmount。
• Company/Bank 實現 Runnable，分別並發 100 次存/取 1000。
• 主線程 join() 等待完成，驗證最終餘額等於初始值。

2.2 關鍵代碼

class Account {
    private double balance;
    public synchronized void addAmount(double amount) {
        double tmp = balance;
        Thread.sleep(10); // 放大並發窗口
        tmp += amount;
        balance = tmp;
    }
    public synchronized void subtractAmount(double amount) { ... }
}

2.3 運行結果

Account : Initial Balance: 1000.000000
Account : Final Balance: 1000.000000  // 始終一致

去掉 synchronized：最終餘額隨機偏離 1000，多次運行結果不一，證明數據競態。

2.4 鎖行為驗證

• 同一 Account 實例的兩個同步方法互斥：線程 A 執行 addAmount 時，線程 B 嘗試 subtractAmount 會阻塞。
• 不同 Account 實例互不干擾：各自鎖各自的 this。

三、範例二：靜態同步 vs 實例同步 —— 鎖對象不同可並發

3.1 修改點

class Account {
    private static double balance = 0; // 靜態共享
    public static synchronized void addAmount(double amount) { ... } // 鎖 Account.class
    public synchronized void subtractAmount(double amount) { ... }   // 鎖 this
}

3.2 現象

最終餘額不再固定，每次運行結果不同。
原因：addAmount 鎖 Account.class，subtractAmount 鎖具體實例 this，兩把鎖互不相干，線程可同時進入，發生競態。

3.3 修正方案

• 統一用靜態同步方法（鎖 Class）。
• 或統一用實例同步方法（鎖同一實例）。
• 或同步塊顯式指定同一鎖對象：synchronized(Account.class) { ... }。

四、synchronized 進階特性總結

五、最佳實踐建議

1. 優先 synchronized：代碼簡潔、JVM 優化成熟（偏向鎖、輕量級鎖、鎖消除、鎖粗化），除非需要 Condition/中斷/公平鎖。
2. 縮小鎖範圍：同步塊優於同步方法，僅保護共享狀態讀寫區。
3. 避免鎖活躍對象：不要鎖 String/包裝類/集合等可能被複用的對象，專用 private final Object lock = new Object();。
4. 死鎖預防：固定多鎖獲取順序、使用 tryLock 超時、避免持有鎖調用外部方法。

掌握 synchronized 的鎖對象語義與 JVM 優化機制，是寫出高性能線程安全代碼的前提。