# 模組24 多執行緒同步（Synchronization、synchronized、Thread-safe）

寫得縮略一點，以例子說明之。

> 某公司的某產品庫存量為 100 個，某一天 A 和 B 同時進貨，在 A 進貨 20 個的同時，B 也進貨品 30 個。

## 2 個以上的執行緒存取相同資源

> A 和 B 同時更新庫存量，並且不知道彼此正在更新。
<table class="x_nosync">
<tr>
<td colspan="2">原貨量：x = 100</td>
</tr>
<tr>
<td>A 讀取：x = 100</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>B 讀取：x = 100</td>
</tr>
<tr>
<td>A 更新：x = 100 + 20</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>B 更新：x = 100 + 30</td>
</tr>
<tr>
<td>A 存檔：x = 120</td>
<td></td>
</tr>
<tr>
<td></td>
<td>B 存檔：x = 130</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="2">最終貨量（錯誤）： x = 130<br>（因為 B 最後更新）</td>
</tr>
</table>
<style>
.x_nosync {
width: 600px;
text-align: center;
}
.x_nosync tr td {
width: 300px;
}
</style>

例子當中因為 B 最後才更新，所以最終貨量會以最新的資料為主。
但即使是 A 先完成存檔，貨量是 120 的狀況，也仍然錯誤。
因為實際的最終貨量應該是 150 個。

## Critical Section（危險區域）的概念

會造成這樣的狀況有幾個條件：
1. A 和 B 在同時段存取並異動了同個資源。
2. A 和 B 不知道彼此在同時段存取並異動資源。

**兩個人都在存取資源的區域就稱為 Critical Section（危險區域）**。

在程式的 Critical Section 裡，不同執行緒可能同時存取同一份資源，因而產生衝突或重複修改的問題。

## 解決方式：Synchronization

可以破解條件的辦法：
1. 同時間內，**A 和 B 只能有一個人存取資源；其中一個人若正在存取資源，就不允許另外一個人存取資源**。
2. 有一個額外的監控角色，能精準控制 2 個人存取資源的行為。

Synchronization（同步化）就是為了實現這樣的解決辦法，但是以「**限制空間進出**」的方式達到「同時段內限制一個執行緒存取」的概念，其中很具體的設計了 **Monitor**（區域監控）和 **Lock**（鎖，又稱 Flag）的機制。

## Synchronization（同步化）與 synchronized 關鍵字

先大致說明一下我理解的 Monitor 和 Lock。

### Monitor 與 Lock

找到 Critical Section 後，選擇用 `synchronized` 關鍵字包起來的區域（包起來的範圍粗略可分為兩種，細分可以算是三種），我們必須監控（Monitor）著，取得 Lock 的執行緒才能進入。

### 實作步驟

#### 一、找出 Critical Section 的範圍，以便進行 Monitor：
1. 大致範圍：存取相同資源的方法 {} 內。
2. 精確範圍：存取、異動相同資源的程式碼起訖前後。

範圍越大就越耗能。

#### 二、加入 synchronized 關鍵字，進行 Monitor：

1. **在方法宣告中加入**：Critical Section 出現在哪裡，就監控那一整個方法。<div style="margin-bottom:16px;" title="保持間距用"></div>

// 省略宣告、指定 x，及呼叫並傳入 x 的動作
// 省略建立 Thread 的動作
void synchronized updateCount(int x, count) {}

2. **另外標示出 synchronized 程式區塊**：縮小監控範圍，只監控 Critical Section 有存取、異動資源的那幾行程式碼。
1. 標示監控哪個物件的鎖（Lock）<div style="margin-bottom:16px;" title="保持間距用"></div>

    // 省略宣告、指定 x，及呼叫並傳入 x 的動作
    // 省略建立 Thread 的動作
    void updateCount(count) {
        synchronized (x) {
            x += count;   
        }
    }

2. 標示監控哪個類別資料（Name.class）：使用在有 static 資料的狀況<div style="margin-bottom:16px;" title="保持間距用"></div>

    public class TestSync {
        static int x = 100;
        void updateCount(count) {
            synchronized (this) {
            // this 是在相同類別下，標示監控「這個」類別
            // 可以精確地寫成 TestSync.class，監控區域在不同類別更應該這麼寫
                x += count;   
            }
        }
    }

### 同步與系統效能、穩定度

同步化的使用，與其消耗的系統效能及系統的穩定度都成正比：

1. 因為本身就很耗時，所以**使用越多，或範圍越大，系統資源越消耗**。
2. 如果是常常要執行的方法或程式區段，**除非必要，否則應該要減少使用**。
3. 雖然如此，同步化卻會相對**提高穩定度、強健度**。

結論：**需要妥善的運用同步化**。

## 補充

先前在[介紹集合物件時](/tGwjsD53TKOI31SSfKf1AQ#集合相關的API架構圖)有提到 Vector、Hashtable，其實兩者就是 **Thread-safe（執行緒安全**，指已有做同步處理）的 ArrayList 和 HashMap。

Vector、Hashtable 和 ArrayList、HashMap 基本使用上是一模一樣，但額外帶來了同步化的優點和負擔。

同步處理機制集合的相關使用，可參考 ==Collections 類別==（注意是 Collections **類別**，存放有集合相關的操作方法；**並不是**指 Collection 介面） 的 API 文件：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/Collections.html

有一堆 synchronized 開頭的方法可以使用。