Java 線程通信核心技術大全：join、wait/notify、CountDownLatch、CyclicBarrier、FutureTask 實戰詳解

多線程協作是 Java 並發編程的核心課題。本文通過 5 個經典場景，系統講解 Thread.join()、Object.wait/notify、CountDownLatch、CyclicBarrier、FutureTask + Callable 等核心機制的原理、適用場景與代碼實戰，助你構建高效、可控的並發系統。

場景一：線程順序執行 — Thread.join()

需求：線程 B 等待線程 A 完全結束後再執行。

Thread A = new Thread(() -> printNumber("A"));
Thread B = new Thread(() -> {
    try { A.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
    printNumber("B");
});
B.start(); A.start(); // B 先啟動但會阻塞等待 A

原理：join() 內部調用 wait(0)，當線程終止時 JVM 自動喚醒等待者。適用於簡單的串行依賴。

場景二：精細粒度交替執行 — Object.wait()/notify()

需求：A 印 1 → B 印 1,2,3 → A 印 2,3。

Object lock = new Object();
Thread A = new Thread(() -> {
    synchronized(lock) {
        System.out.println("A 1");
        lock.wait(); // 釋放鎖進入等待
        System.out.println("A 2"); System.out.println("A 3");
    }
});
Thread B = new Thread(() -> {
    synchronized(lock) {
        System.out.println("B 1"); System.out.println("B 2"); System.out.println("B 3");
        lock.notify(); // 喚醒 A
    }
});
A.start(); B.start();

關鍵點：

• 共用同一把鎖 lock。
• wait() 釋放鎖並進入 WAITING 狀態；notify() 喚醒一個等待線程（需重新競爭鎖）。
• 必須在 synchronized 區塊內調用，否則拋 IllegalMonitorStateException。

場景三：一個線程等待多個線程完成 — CountDownLatch

需求：D 等待 A、B、C 全部結束（A/B/C 並行執行）。

CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); // 計數器初值 3
// D 線程
new Thread(() -> {
    latch.await(); // 阻塞直到計數歸零
    System.out.println("D start");
}).start();
// A/B/C 線程
for (char n : new char[]{'A','B','C'}) {
    new Thread(() -> {
        doWork(n);
        latch.countDown(); // 計數 -1
    }).start();
}

特點：一次性計數器，不可重置。適用於「主線程等待多個任務完成」或「多線程等待準備就緒」。

場景四：多線程互相等待，同步起跑 — CyclicBarrier

需求：三選手各自準備，全員就緒後同時起跑。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3); // 3 方參與
for (char n : new char[]{'A','B','C'}) {
    new Thread(() -> {
        prepare(n);
        barrier.await(); // 到達屏障等待
        run(n); // 所有人同時執行
    }).start();
}

對比 CountDownLatch：

場景五：子線程返回結果給主線程 — FutureTask + Callable

Runnable 無返回值，Callable<V> 支持泛型返回值與拋出異常。

Callable<Integer> task = () -> {
    int sum = 0;
    for (int i = 1; i <= 100; i++) sum += i;
    return sum;
};
FutureTask<Integer> future = new FutureTask<>(task);
new Thread(future).start();

System.out.println("主線程繼續做其他事...");
Integer result = future.get(); // 阻塞獲取結果
System.out.println("結果：" + result); // 5050

進階：生產環境建議配合 ExecutorService 線程池管理 Future，避免手動創建線程開銷，並可使用 CompletableFuture (Java 8+) 實現非阻塞回調組合。

總結選型指南

• 簡單串行：Thread.join()
• 雙線程精細協作：wait/notify（或 Lock + Condition 更靈活）
• 一等多、一次性：CountDownLatch
• 多等多、可循環：CyclicBarrier
• 異步計算獲取結果：FutureTask/Callable → 升級 CompletableFuture

線程通信本質是「狀態協調與內存可見性」。掌握這些工具的適用邊界，能寫出既正確又高效的並發代碼。