Java 執行緒同步機制：synchronized 關鍵字保護共享資料

同步鎖解決共享資料競態條件

當多執行緒同時存取共享可變資料時，會發生競態條件導致資料不一致。Java 提供 synchronized 關鍵字實現內建鎖，確保同一時間僅有一條執行緒執行受保護的程式碼區塊。

完整程式碼：SyThreadDemo.java

public class SyThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        trade ft = new trade(); // 共享資料物件
        addThread tt1 = new addThread(ft, "add");
        decThread tt2 = new decThread(ft, "dec");
        tt1.start();
        tt2.start();
    }
}

// 同步類別：封裝共享資料與同步操作
class trade {
    private String transName;
    private double amount;

    // synchronized 修飾實例方法 → 鎖定 this 物件
    synchronized void update(String transName, double amount) {
        this.transName = transName;
        this.amount = amount;
        System.out.println(this.transName + " " + this.amount);
    }
}

// 增加資金執行緒
class addThread extends Thread {
    private trade ft;
    addThread(trade ft, String name) { super(name); this.ft = ft; }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
            ft.update("add", 2000.0);
    }
}

// 減少資金執行緒
class decThread extends Thread {
    private trade fd;
    decThread(trade fd, String name) { super(name); this.fd = fd; }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
            fd.update("dec", -2000.0);
    }
}

執行結果示意（交替輸出，無資料錯亂）

add 2000.0
dec -2000.0
add 2000.0
dec -2000.0
...
add 2000.0
dec -2000.0

synchronized 三種鎖定範圍

本範例鎖定分析

• trade.update() 為實例同步方法 → 鎖定 trade 實例（ft/fd 指向同一物件）
• 兩條執行緒呼叫同一物件的同步方法 → 互斥執行，transName 與 amount 成對更新
• 若移除 synchronized，輸出會出現「add -2000.0」等錯亂組合

同步原理與記憶體可見性

1. 互斥性：同一時間僅一執行緒持有鎖
2. 可見性：解鎖前對共享變數的寫入，對後續獲得鎖的執行緒可見（隱含記憶體屏障）
3. 重入性：同一執行緒可重複獲得同一鎖

常見錯誤與避坑指南

• ❌ 鎖定不同物件：synchronized(new Object()) 每次建立新鎖，失去保護效果
• ❌ 鎖定不可變物件：String、Integer 等可能被常數池共用，導致非預期互斥
• ❌ 同步區塊過大：包含 I/O、睡眠等耗時操作，降低並發度
• ✅ 縮小同步範圍：僅保護核心共享資料操作
• ✅ 使用 final 鎖物件：private final Object lock = new Object();
• ✅ 考慮 ReadWriteLock：讀多寫少場景提升並發

現代替代方案（Java 5+）

// 显式鎖：更靈活，支援可中斷、超時、公平鎖
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void update(...) {
    lock.lock();
    try { /* 關鍵區 */ } finally { lock.unlock(); }
}

// 原子類別：無鎖執行緒安全
private final AtomicReference name = new AtomicReference<>();
private final AtomicLong amount = new AtomicLong();

掌握 synchronized 是理解 Java 並發基石，進而駕馭 JUC 套件（Lock、Atomic*、ConcurrentHashMap 等）的前提。