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Java 多線程程式設計機制深度解析：從線程生命週期到同步控制

編輯：Java 相關知識

前言

多線程是 Java 語言的核心特性之一，它允許程式在同一時間內並行執行多個任務，極大地提升了應用程式的響應速度與資源利用率。本文將系統性地介紹 Java 多線程的基本概念、線程生命週期、優先級調度、實現方式以及線程同步機制，並輔以代碼範例幫助開發者深入理解。

核心概念：程式、進程與線程

在探討多線程之前，需釐清三個易混淆的概念：

程式：靜態的代碼集合，如編譯後的 .class 檔案。
進程：程式的一次動態執行過程，擁有獨立的記憶體空間，包含從代碼載入到執行結束的完整生命週期。
線程：進程內部的執行單元，比進程更輕量。一個進程可孕育多個線程，共享進程的記憶體與資源，各自擁有獨立的程式計數器、堆疊與局部變數。

以 QQ 客戶端為例：客戶端本身是「程式」；登入 QQ 啟動一個「進程」；與好友聊天發送訊息則對應進程中的一條「線程」。

線程的生命週期與五大狀態

Java 使用 java.lang.Thread 類及其子類對象來代表線程。一個線程從誕生到消亡，會經歷以下五種狀態：

1. 新建

當使用 new Thread() 或繼承 Thread 類創建實例時，線程進入新建狀態。此時已分配記憶體與資源，但尚未啟動。

2. 就緒

調用 start() 方法後，線程進入就緒隊列，等待 CPU 排程。具備執行條件，一旦獲得 CPU 時間片即可進入運行狀態。

3. 運行

線程獲得 CPU 執行權，開始執行 run() 方法中的代碼邏輯。所有線程操作的核心代碼均應編寫在 run() 方法內。

4. 阻塞

運行中的線程因等待資源（如 I/O、鎖、Sleep）而暫時放棄 CPU，進入阻塞狀態。阻塞原因消除後，線程重新回到就緒隊列等待調度。

5. 死亡

run() 方法正常執行完畢，或因異常、stop() 強制終止，線程結束生命週期，不可再重新啟動。

線程優先級與調度

Java 線程採用搶佔式調度，優先級高的線程更容易獲得 CPU。優先級分三級：

MIN_PRIORITY = 1（低）
NORM_PRIORITY = 5（普通，主線程預設）
MAX_PRIORITY = 10（高）

可透過 setPriority(int) 修改，但最終調度仍取決於作業系統。

實現多線程的兩種途徑

方式一：繼承 Thread 類

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 線程執行邏輯
    }
}
// 使用
MyThread t = new MyThread();
t.start(); // 啟動線程，進入就緒狀態

方式二：實現 Runnable 介面（推薦）

class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 線程執行邏輯
    }
}
// 使用
Thread t = new Thread(new MyRunnable());
t.start();

Runnable 方式解耦了線程任務與線程控制，便於資源共享，且避免單繼承限制。

常用線程控制方法

方法	說明
`sleep(long ms)`	讓當前線程休眠指定毫秒，不釋放鎖
`yield()`	讓出 CPU，重新參與調度
`join()`	等待該線程終止
`isAlive()`	判斷線程是否存活

線程同步：解決共享資源競爭

多線程同時存取共享資料時會發生線程安全問題。Java 提供 synchronized 關鍵字實現同步：

同步方法：public synchronized void method() { ... }
同步區塊：synchronized(obj) { ... }

同步機制確保同一時間只有一個線程能執行被保護的代碼區段，其他線程需等待鎖釋放。

經典範例：會計與出納共用帳本

public class BankDemo extends Applet implements Runnable {
    int money = 100;
    Thread accountant, cashier;
    TextArea log1, log2;

    public void init() {
        accountant = new Thread(this);
        cashier = new Thread(this);
        log1 = new TextArea(20, 8);
        log2 = new TextArea(20, 8);
        add(log1); add(log2);
    }

    public void start() {
        accountant.start();
        cashier.start();
    }

    // 同步方法：同一時間只允許一個線程存取
    public synchronized void access(int amount) {
        if (Thread.currentThread() == accountant) {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                money += amount;
                try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) {}
                log1.append("\n" + money);
            }
        } else if (Thread.currentThread() == cashier) {
            for (int i = 0; i < 2; i++) {
                money -= amount / 2;
                try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) {}
                log2.append("\n" + money);
            }
        }
    }

    public void run() {
        if (Thread.currentThread() == accountant || Thread.currentThread() == cashier) {
            for (int i = 0; i < 3; i++) access(30);
        }
    }
}

線程通信：wait()、notify()、notifyAll()

當線程需等待某條件滿足時，可在同步區塊中調用 wait() 釋放鎖並進入等待池；條件滿足後，其他線程調用 notify()（喚醒單一線程）或 notifyAll()（喚醒所有等待線程）使其重新競爭鎖。

wait()：線程等待，釋放鎖
notify()：喚醒一個等待線程
notifyAll()：喚醒所有等待線程

這三個方法屬於 Object 類，必須在同步上下文中調用，否則拋出 IllegalMonitorStateException。

總結

Java 多線程機制為並發程式設計提供了強大支撐。掌握線程生命週期、優先級調度、實現方式、同步與通信，是開發高效、穩定並發應用的基石。實務中應根據業務場景合理選擇同步粒度，避免過度同步導致效能下降，並善用 java.util.concurrent 套件中的高階工具（如 Lock、CountDownLatch、ThreadPoolExecutor）簡化開發。