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Java 執行緒同步實戰：synchronized、死鎖、公平鎖、鎖優化

編輯：Java 程式設計入門

一、為什麼需要同步？

多執行緒並發存取共享可變狀態時，若無同步會發生競態條件：

// 銀行帳戶經典案例
class Account {
    int balance = 30000;
    void withdraw(int amount) {
        if (balance >= amount) { // 檢查
            balance -= amount;   // 扣款 (非原子)
        }
    }
}
// 兩執行緒同時 withdraw(20000) → 可能都通過檢查 → 余額 -10000

二、synchronized 關鍵字

2.1 三種鎖定目標

寫法	鎖物件	範圍
同步實例方法	`this`	整個方法
同步靜態方法	`ClassName.class`	整個方法
同步區塊	自定義 `Object lock`	區塊內程式碼

2.2 修正銀行案例

class Account {
    int balance = 30000;
    public synchronized void withdraw(int amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
        }
    }
}
// 或細粒度鎖
private final Object lock = new Object();
public void withdraw(int amount) {
    synchronized (lock) { ... }
}

三、死鎖

3.1 產生條件 (Coffman 條件)

互斥：資源獨佔。
持有並等待：持有鎖 A 等待鎖 B。
不可搶佔：鎖只能持有者釋放。
循環等待：T1 等 T2，T2 等 T1...

3.2 經典死鎖程式碼

Object lock1 = new Object(), lock2 = new Object();

Thread t1 = new Thread(() -> {
    synchronized (lock1) {
        sleep(100);
        synchronized (lock2) { System.out.println("t1 done"); }
    }
});

Thread t2 = new Thread(() -> {
    synchronized (lock2) {
        sleep(100);
        synchronized (lock1) { System.out.println("t2 done"); }
    }
});
t1.start(); t2.start(); // 永久阻塞

3.3 避免死鎖策略

固定鎖順序：全域規定先鎖 lock1 再鎖 lock2。
tryLock 超時：ReentrantLock.tryLock(timeout) 失敗則釋放已持有鎖重試。
避免巢狀鎖：重構程式碼，單一鎖保護不變式。
使用並發集合：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 內部無鎖/細粒度鎖。

四、ReentrantLock 進階功能

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // true = 公平鎖 (FIFO)

lock.lockInterruptibly(); // 可被 interrupt 中斷等待
boolean got = lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS); // 超時獲取

Condition notEmpty = lock.newCondition();
lock.lock();
try {
    while (queue.isEmpty()) notEmpty.await(); // 釋放鎖等待
    // 消費
    notEmpty.signalAll();
} finally { lock.unlock(); }

五、鎖優化 (JVM 內建)

優化技術	原理	適用場景
偏向鎖	無競爭時，鎖偏向第一個獲得的執行緒，後續進出無 CAS 開銷	單執行緒存取、ThreadLocal 等
輕量級鎖	低競爭時，用 CAS 修改 Mark Word 指向執行緒棧鎖記錄	交替存取、短關鍵區
膨脹為重量級鎖	高競爭時，改用 OS Mutex，執行緒阻塞掛起	高併發、長關鍵區
鎖消除	JIT 編譯期逃逸分析發現鎖物件不逃逸，直接移除同步	StringBuffer 區域變數、同步區塊無共享
鎖粗化	合併相鄰同步區塊，減少鎖開銷	循環內同步、連續同步呼叫