Java 多執行緒核心：線程間通訊的三大機制深度解析

在多執行緒程式設計中，線程間通訊是協調任務、共享資料的關鍵。Java 提供了多種機制，從基礎的 synchronized 到進階的 wait/notify，各有適用場景與優缺點。本文透過程式碼實戰，深度剖析三種主流通訊方式的原理、陷阱與最佳實踐。

一、同步鎖通訊：共享記憶體模型

利用 synchronized 關鍵字鎖定共享物件，實現「同一時間僅一執行緒存取關鍵區段」。本質是共享記憶體通訊：誰拿到鎖，誰就能讀寫共享變數，其他執行緒阻塞等待。

public class SharedObject {
    public synchronized void methodA() { /* 任務 A */ }
    public synchronized void methodB() { /* 任務 B */ }
}

// 線程 A 呼叫 methodA()，線程 B 呼叫 methodB()
// 因鎖定同一 SharedObject 實例，B 必須等 A 釋放鎖才能進入 methodB()

優點：語法簡單、JVM 原生支援、適用於互斥存取。
缺點：粗粒度鎖導致並發度低；無法實現「條件等待」（如：等待隊列非空），只能無條件阻塞。

二、輪詢機制：以時間換空間的笨拙方案

執行緒 B 不斷在 while(true) 迴圈中檢查條件（如 list.size() == 5），條件滿足才執行後續邏輯。

// 線程 B：消耗 CPU 的無效輪詢
while (true) {
    if (sharedList.size() == 5) {
        System.out.println("條件滿足，準備處理");
        break; // 或拋出異常跳出
    }
}

致命缺陷：空轉消耗 CPU。JVM 分配時間片給線程 B，它卻只做條件判斷，不執行實質工作。如同「盯著手機螢幕等電話」，極度浪費算力。生產環境嚴禁使用。

三、wait/notify 機制：高效的條件等待與通知

基於 Object 類的 wait()、notify()、notifyAll()，實現「條件不滿足 → 釋放鎖進入 WAITING 狀態 → 條件滿足 → 被喚醒進入 RUNNABLE 狀態」的優雅協作。

// 共享鎖物件
Object lock = new Object();

// 線程 A：等待條件
synchronized (lock) {
    while (list.size() != 5) { // 必須用 while 防止虛假喚醒
        lock.wait(); // 釋放鎖，進入等待集合
    }
    // 條件滿足，繼續執行
}

// 線程 B：改變條件並通知
synchronized (lock) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add("item");
        if (list.size() == 5) {
            lock.notify(); // 喚醒一個等待線程
        }
    }
}

核心規則（必背）

1. 必須在 synchronized 區塊內呼叫：否則拋 IllegalMonitorStateException。
2. wait() 釋放鎖，sleep() 不釋放鎖。
3. 用 while 而非 if 檢查條件：防止虛假喚醒（spurious wakeup）與通知遺失。
4. notify() 隨機喚醒一個，notifyAll() 喚醒全部（推薦，避免信號遺漏）。

經典陷阱：通知過早

若線程 B 先執行，notify() 發出時線程 A 尚未 wait()，信號丟失。線程 A 後續 wait() 將永久阻塞。
解決：引入狀態標誌位（如 boolean ready = false），線程 B 設置 ready = true 後再 notify()；線程 A 檢查 while(!ready) wait()。這正是 Condition / BlockingQueue 內部的設計思想。

四、現代替代方案：別再手寫 wait/notify

JDK 1.5+ java.util.concurrent 提供更高階、更安全的工具：

• BlockingQueue（ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue）：生產者-消費者首選，內建阻塞與等待。
• CountDownLatch / CyclicBarrier：多線程同步屏障。
• CompletableFuture：非同步編排，鏈式回調。
• Lock + Condition：ReentrantLock 配合 newCondition()，支援多條件隊列，比 wait/notify 靈活。

// 生產者-消費者標準寫法
BlockingQueue<Task> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

// 生產者
queue.put(task); // 滿則阻塞

// 消費者
Task t = queue.take(); // 空則阻塞