Java 多線程程式設計核心要點全景總結

線程生命週期五大狀態

1. 新建：new Thread()
2. 可執行：start() 後，等待 CPU 調度
3. 運行：獲得 CPU 時間片，執行 run()
4. 阻塞：
   • 等待阻塞：wait()
   • 同步阻塞：獲取 synchronized 鎖失敗
   • 其他阻塞：sleep()、join()、I/O
5. 死亡：run() 正常結束或拋出未捕獲異常

實現多線程兩大途徑

start() vs run()

• start()：啟動新線程，JVM 呼叫本地方法 start0()，新線程執行 run()。
• run()：普通方法調用，在當前線程執行，不會開啟新線程。

同步機制：synchronized

三種用法

1. 同步實例方法：public synchronized void foo() 鎖 this
2. 同步靜態方法：public static synchronized void bar() 鎖 Class 物件
3. 同步代碼塊：synchronized(obj) { ... } 鎖指定物件，粒度更細

鎖規則

• 同一物件的同步方法/塊互斥。
• 同步不阻礙非同步代碼執行。
• 實例鎖 vs 類鎖（static）互不干擾。

線程通訊：wait / notify / notifyAll

• 必須在 synchronized 區塊內呼叫，否則拋 IllegalMonitorStateException。
• wait()：釋放鎖，進入等待集。
• notify()：喚醒單一等待線程；notifyAll()：喚醒全部。
• 被喚醒線程需重新獲取鎖才能繼續執行。

輔助方法對比

線程中斷

• interrupt()：設置中斷標誌；若線程處於阻塞（sleep/wait/join），拋 InterruptedException 並清除標誌。
• 正確停止模式：

  while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
      try { /* 工作 */ } catch (InterruptedException e) { break; }
  }

volatile 關鍵字

• 可見性：寫入 volatile 立即刷新到主記憶體；讀取強制從主記憶體載入。
• 非原子性：volatile++ 非原子，需配合 AtomicInteger 或 synchronized。
• 禁止指令重排（JMM happens-before）。

ThreadLocal 線程封閉

每個線程擁有獨立副本，避免共享衝突。典型用法：資料庫連線、Session 上下文、事務 ID 傳遞。

ThreadLocal<Connection> tl = ThreadLocal.withInitial(() -> DriverManager.getConnection(url));
// 使用
Connection conn = tl.get();
// 結束必須清理，防記憶體洩漏
tl.remove();

生產者-消費者經典模型

class Buffer {
    private final Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
    private final int capacity;
    public Buffer(int cap) { capacity = cap; }

    public synchronized void produce(int v) throws InterruptedException {
        while (q.size() == capacity) wait();
        q.offer(v);
        notifyAll();
    }
    public synchronized int consume() throws InterruptedException {
        while (q.isEmpty()) wait();
        int v = q.poll();
        notifyAll();
        return v;
    }
}

線程池與 Executor 框架

• 核心參數：corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、workQueue、ThreadFactory、RejectedExecutionHandler。
• 常用靜態工廠：Executors.newFixedThreadPool、newCachedThreadPool、newSingleThreadExecutor、newScheduledThreadPool。
• 生產環境建議自定義 ThreadPoolExecutor，明確拒絕策略與佇列界限。

總結：多線程開發黃金法則

1. 優先使用 Runnable + 線程池，避免手動管理線程。
2. 共享可變狀態最小化；優先用不可變物件、ThreadLocal、佇列傳遞資料。
3. 同步塊保持最小範圍；避免在同步內呼叫外部方法/阻塞操作。
4. 正確處理中斷：捕獲 InterruptedException 後恢復中斷標誌或退出迴圈。
5. 善用 java.util.concurrent 高階組件：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore、CompletableFuture。

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