Java 線程同步機制全解析：synchronized、wait/notify、Lock/Condition 核心原理與最佳實踐

為什麼需要同步？

多線程並發訪問共享可變數據時，會出現原子性違背、可見性失效、有序性破壞，導致數據不一致。同步機制通過互斥鎖與內存屏障保證：

• 同一時刻僅一線程進入臨界區（互斥）；
• 鎖釋放前的寫入對後續獲取鎖的線程可見（內存屏障）。

兩種同步基礎形式

1. 同步代碼塊

synchronized(lockObject) {
    // 臨界區：操作共享數據
}

• lockObject 必須為同一對象（通常用共享數據本身、this、類對象、專用鎖對象）；
• 鎖粒度可控，性能優於同步方法。

2. 同步方法

public synchronized void method() { ... }        // 鎖 this
public static synchronized void staticMethod() { ... } // 鎖 Class 對象

• 隱式使用 this 或 Class 作為鎖；
• 粒度較粗，容易成為併發瓶頸。

線程通信：wait/notify/notifyAll

屬於 Object 方法，必須在同步塊/方法內調用，否則拋 IllegalMonitorStateException。

經典生產者-消費者模板

class Buffer {
    private final List<Integer> queue = new ArrayList<>();
    private final int capacity;

    public synchronized void put(int v) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) wait(); // 滿等待
        queue.add(v);
        notifyAll(); // 喚醒消費者
    }

    public synchronized int take() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) wait(); // 空等待
        int v = queue.remove(0);
        notifyAll(); // 喚醒生產者
        return v;
    }
}

進階：Lock 接口與 Condition（JUC）

ReentrantLock 提供比 synchronized 更豐富的功能：

• 可中斷獲取鎖：lockInterruptibly()；
• 公平鎖選項：new ReentrantLock(true)；
• 多條件變量：lock.newCondition() 區分不同等待隊列（如 notEmpty/notFull），精準喚醒；
• 嘗試非阻塞獲取：tryLock()/tryLock(timeout, unit)。

ArrayBlockingQueue 核心同步邏輯（JUC 典範）

final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();
final Condition notFull  = lock.newCondition();

// 入隊
lock.lock();
try {
    while (count == items.length) notFull.await();
    insert(x);
    notEmpty.signal();
} finally { lock.unlock(); }

// 出隊
lock.lock();
try {
    while (count == 0) notEmpty.await();
    return extract();
    notFull.signal();
} finally { lock.unlock(); }

同步最佳實踐原則

1. 縮小鎖範圍：僅同步訪問共享狀態的代碼，避免 I/O、睡眠在鎖內；
2. 優先用 JUC 並發容器：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、BlockingQueue 等無鎖/細粒度鎖實現；
3. 不可變對象：final 字段、String、LocalDate 天然線程安全，無需同步；
4. ThreadLocal 隔離：線程私有副本避免共享；
5. 避免死鎖：固定鎖獲取順序、使用 tryLock 超時退出、減少嵌套鎖；
6. volatile 不能替代同步：僅保證可見性，不保證原子性（如 i++ 仍需同步）。