Java 多執行緒應用程式建構：JSR-166 並發工具包實戰指南

並發程式設計挑戰

• 死結、活結、飢餓
• 手工管理執行緒池複雜易錯
• 缺乏非阻塞演算法支援
• 等待/通知機制易誤用

JSR-166 核心組件 (java.util.concurrent)

Executor 架構

// 執行緒池
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 提交任務
pool.submit(() -> doWork());
// 關閉
pool.shutdown();

ThreadPoolExecutor 自訂

public class CustomPool extends ThreadPoolExecutor {
    public CustomPool(int core, int max, long keepAlive) {
        super(core, max, keepAlive, TimeUnit.SECONDS,
              new LinkedBlockingQueue<>());
    }
    
    @Override protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) {
        super.beforeExecute(t, r);
        log("執行前: " + r);
    }
    
    @Override protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
        super.afterExecute(r, t);
        if (t != null) log("異常: " + t);
        log("執行後: " + r);
    }
    
    @Override protected void terminated() {
        super.terminated();
        log("執行緒池已終止");
    }
}

非阻塞佇列與生產者/消費者

// 無界非阻塞佇列
BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>();

// 生產者
pool.submit(() -> {
    while (running) {
        Order order = receiveOrder();
        queue.put(order); // 滿時阻塞
    }
});

// 消費者 (可實作 Callable 回傳結果)
class OrderProcessor implements Callable {
    public Integer call() {
        int count = 0;
        while (running) {
            Order order = queue.take(); // 空時阻塞
            process(order);
            count++;
        }
        return count;
    }
}

執行緒協調工具

• CountDownLatch：等待多項任務完成
• CyclicBarrier：多執行緒同步屏障
• Semaphore：許可證控制並發度
• Exchanger：雙執行緒資料交換
• Phaser：階段式同步 (Java 7+)

原子變數與 CAS

AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
// 原子遞增
int old = counter.getAndIncrement();
// CAS 更新
counter.compareAndSet(expected, newValue);

最佳實務

1. 優先使用高層 API (Executor、CompletableFuture)
2. 避免手工 synchronized，改用 Lock、Atomic、Concurrent 集合
3. 正確處理中斷：檢查 Thread.interrupted()
4. 使用 ThreadLocal 隔離執行緒狀態
5. 鎖排序避免死結，設定逾時