Java 多執行緒核心概念：Thread、Runnable、同步化、wait/notify、死結

前言

多執行緒是 Java 核心特性之一。本文系統整理：執行緒建立兩種方式、生命週期狀態、同步化機制、wait/notify 協作模式、常見問題與最佳實踐。注意：Java 5+ 引入 java.util.concurrent 高階 API，實務開發優先使用 ExecutorService、Concurrent 集合、Lock、CountDownLatch 等，本文基礎 API 僅供理解底層原理。

建立執行緒兩種方式

方式一：繼承 Thread 類別

public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 執行緒工作內容
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(getName() + ": " + i);
        }
    }
}

// 使用
MyThread t1 = new MyThread();
t1.setName("Thread-A");
t1.start();  // 呼叫 start()，非 run()！

方式二：實作 Runnable 介面（推薦）

public class MyTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 工作內容
    }
}

// 使用
Thread t2 = new Thread(new MyTask(), "Thread-B");
t2.start();

// Java 8+ Lambda
Thread t3 = new Thread(() -> {
    System.out.println("Lambda 執行緒");
}, "Thread-C");
t3.start();

比較

執行緒生命週期狀態

NEW → RUNNABLE → RUNNING
                ↑    ↓
           BLOCKED/WAITING/TIMED_WAITING
                ↓
           TERMINATED

常用控制方法

sleep() - 讓出 CPU、不釋放鎖

try {
    Thread.sleep(1000);           // 毫秒
    Thread.sleep(1000, 500000);   // 毫秒 + 奈秒
} catch (InterruptedException e) {
    Thread.currentThread().interrupt();  // 重設中斷旗標
}

yield() - 讓出 CPU、不保證調度

Thread.yield();  // 暗示調度器：我暫時不搶 CPU，同優先級其他執行緒可執行

join() - 等待其他執行緒結束

Thread t = new Thread(() -> { ... });
t.start();
t.join();           // 無限等待
t.join(5000);       // 最多等 5 秒

interrupt() - 中斷執行緒

// 中斷沉睡/等待中的執行緒
Thread t = new Thread(() -> {
    try {
        Thread.sleep(10000);
    } catch (InterruptedException e) {
        System.out.println("被中斷了");
        Thread.currentThread().interrupt();  // 重要：重設旗標
    }
});
t.start();
Thread.sleep(100);
t.interrupt();  // 觸發 InterruptedException

同步化

synchronized 關鍵字

// 1. 同步實例方法（鎖住 this）
public synchronized void deposit(int amount) {
    balance += amount;
}

// 2. 同步靜態方法（鎖住 Class 物件）
public static synchronized void staticMethod() { ... }

// 3. 同步區塊（指定鎖物件，粒度更細）
public void transfer(Account from, Account to, int amount) {
    synchronized (from) {
        synchronized (to) {
            // 轉帳邏輯
        }
    }
}

內建鎖特性

• 可重入：同一執行緒可重複獲得同一鎖
• 互斥：同一時間只有一個執行緒持有
• 釋放：正常返回或拋出例外時自動釋放

wait()/notify()/notifyAll() - 執行緒協作

必須在 synchronized 區塊/方法中呼叫，否則拋 IllegalMonitorStateException。

經典生產者-消費者模式

public class BoundedBuffer {
    private final List buffer = new ArrayList<>();
    private final int capacity;

    public BoundedBuffer(int capacity) { this.capacity = capacity; }

    public synchronized void put(T item) throws InterruptedException {
        while (buffer.size() == capacity) {
            wait();  // 釋放鎖並等待，被 notify 喚醒後重新檢查條件
        }
        buffer.add(item);
        notifyAll();  // 喚醒所有等待執行緒（消費者）
    }

    public synchronized T take() throws InterruptedException {
        while (buffer.isEmpty()) {
            wait();
        }
        T item = buffer.remove(0);
        notifyAll();  // 喚醒生產者
        return item;
    }
}

關鍵模式

1. while 迴圈檢查條件：防止虛假喚醒
2. notifyAll 優於 notify：避免喚醒錯誤類型執行緒導致卡死
3. 狀態改變後通知：修改共享狀態 → notifyAll

死結與預防

死結條件（四必要條件同時滿足）

1. 互斥：資源獨佔
2. 持有並等待：持有資源同時請求新資源
3. 不可搶佔：資源只能自願釋放
4. 循環等待：T1 等 T2 持有的資源，T2 等 T1 持有的資源

死結範例

Object lockA = new Object();
Object lockB = new Object();

// Thread 1
synchronized (lockA) {
    Thread.sleep(100);
    synchronized (lockB) { ... }  // 死結！
}

// Thread 2
synchronized (lockB) {
    Thread.sleep(100);
    synchronized (lockA) { ... }  // 死結！
}

預防策略

• 固定鎖順序：所有執行緒按相同順序獲取鎖（如 hashCode 排序）
• 使用 tryLock(timeout)：ReentrantLock 支援限時獲取，失敗可釋放已持有鎖重試
• 縮小同步範圍：只在必要程式碼加鎖
• 避免巢狀鎖：重構設計減少多重鎖需求

daemon 執行緒（守護執行緒）

Thread t = new Thread(() -> { ... });
t.setDaemon(true);  // 必須在 start() 前呼叫
t.start();

• JVM 結束條件：所有非 daemon 執行緒結束
• daemon 執行緒適合：背景清理、監控、定時任務
• 注意：daemon 執行緒在 JVM 關閉時會被強制終止，不執行 finally 區塊

Java 5+ 高階 API 快速導覽（實務首選）

總結

• 優先用 Runnable + ExecutorService，少用繼承 Thread
• 理解六大狀態與轉換，善用 join/interrupt 控制流程
• synchronized 是基礎，掌握 wait/notifyAll 協作模式（while 迴圈 + notifyAll）
• 死結預防：固定鎖順序、tryLock、縮小同步範圍
• 實務專案直接使用 java.util.concurrent，別重造輪子

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