Java 並發編程核心理論：共享性、互斥性、原子性、可見性、有序性與 JMM 實戰

3. 原子性

• 定義**：操作不可分割，要麼全執行、要麼全不執行，無中間狀態可見。
• 基本型原子性**：`long`/`double` 非 `volatile` 時 **64 位寫入非原子** (JMM 允許拆兩次 32 位寫入)；其他基本型、引用賦值原子。
• 複合操作非原子**：`i++` (讀-改-寫)、`check-then-act` (如 `if (map.get(key)==null) map.put(key,val)`)。
• 實現方案**：
  1. **鎖** (`synchronized`/`Lock`)：悲觀、阻塞、簡單通用。
  2. **CAS** (`Atomic*`、`LongAdder`、`Unsafe.compareAndSwap*`)：樂觀、非阻塞、高併發優、ABA 問題 (用 `AtomicStampedReference` 解決)。
  3. **不可變對象** (`final`、`String`、`Record`)：天然原子、無鎖。

4. 可見性

• 定義**：一個執行緒對共享變量的修改，對其他執行緒**立即可見**。
• JMM 工作內存模型**：每個執行緒有**工作內存** (CPU 緩存/寄存器副本)，讀寫先經工作內存，再同步回主內存。
• 導致不可見**：編譯器優化 (寄存器緩存)、CPU 緩存一致性協議延遲、指令重排。
• 保證可見性**：
  1. `volatile`：寫入**立即刷回主存** + **禁止指令重排** (StoreStore/StoreLoad 屏障)。
  2. `synchronized`：解鎖前**刷回主存**，加鎖後**失效工作內存重讀**。
  3. `final`：構造函數結束前**寫入可見**，無需同步 (JMM 特殊規則)。
  4. 並發容器 (`ConcurrentHashMap`、`CopyOnWriteArrayList`)：內部 `volatile`/`Unsafe` 保證。

5. 有序性

• 定義**：程序執行順序符合代碼邏輯順序 (單執行緒語義)。
• 重排序類型**：
  1. **編譯器優化重排** (JIT)：無數據依賴調換順序。
  2. **指令級並行重排** (CPU)：流水線、超標量、亂序執行。
  3. **內存系統重排** (緩存/寫緩衝區)：寫入不同緩存行順序不定。
• as-if-serial 語義**：單執行緒下重排不改變結果 (含異常)。
• 保證有序性**：
  1. `volatile`：寫屏障 (StoreStore/StoreLoad) + 讀屏障 (LoadLoad/LoadStore)。
  2. `synchronized`：鎖語義隱含 `happens-before` (解鎖 hb 後續加鎖)。
  3. `final`：構造函數內寫入 hb 構造函數返回 (安全發布)。

二、JMM Happens-Before 八大規則

三、經典並發 Bug 復現與修復

1. 計數器非原子

// Bug
int count = 0;
for (int i=0;i<10;i++) new Thread(()->{ for(int j=0;j<1000;j++) count++; }).start();
// 結果 < 10000

// Fix 1: AtomicInteger
AtomicInteger count = new AtomicInteger();
count.incrementAndGet();

// Fix 2: LongAdder (高併發更優)
LongAdder count = new LongAdder();
count.increment();

2. 雙重檢查鎖 (DCL) 半初始化

// Bug (無 volatile)
static Singleton instance;
public static Singleton get() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) instance = new Singleton(); // 分配→初始化→賦值，可能重排
        }
    }
    return instance;
}

// Fix: volatile 禁止重排
static volatile Singleton instance;

3. 發布逃逸 (this 逃逸)

// Bug: 構造函數中啟動線程/註冊監聽器，this 未完全構造即可見
public class EventSource {
    public EventSource() {
        new Thread(() -> doSomething(this)).start(); // 危險！
    }
}

// Fix: 工廠方法 + 完全構造後發布
public static EventSource create() {
    EventSource es = new EventSource();
    new Thread(() -> doSomething(es)).start();
    return es;
}

四、同步工具語義速查表

五、實戰最佳實踐清單

1. 優先用不可變對象：`final` 域、Record、防禦性複製、集合 `Collections.unmodifiable*`。
2. 縮小鎖範圍：只鎖核心邏輯，避免 I/O、日志、RPC 在鎖內。
3. 用並發容器替代手工同步：`ConcurrentHashMap`、`LongAdder`、`BlockingQueue`。
4. 避免過早優化：先正確、再測壓、再優化熱點 (JFR/Async Profiler 定位)。
5. 線程池必配有界隊列 + 拒絕策略：防 OOM、防任務積壓、支撐背壓。
6. 虛擬線程 (JDK 21+) 改寫阻塞 IO**：`Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()`，無需 Reactive 改造。
7. 嚴禁雙重檢查鎖無 volatile**：JDK 5+ 必須加 `volatile`。
8. 發布對象必須安全**：構造函數不啟動線程、不註冊回調、用工廠/構建器模式。

💡 核心心法：共享是根源，互斥是手段，原子/可見/有序是 JMM 給出的三大保證。寫並發代碼時，先問：**這個變量共享嗎？操作原子嗎？寫入需可見嗎？順序敏感嗎？** 選最簡單滿足條件的工具。**能用不可變別用鎖，能用並發容器別手寫同步，能用虛擬線程別手寫異步。**