Java Thread 多線程詳解與用法解析

前言

多線程是 Java 並發編程基石。本文系統涵蓋線程建立、生命週期、常用方法、阻塞與控制、守護線程、優先級、讓步、同步機制、線程通訊與生產者消費者模式。

一、建立線程的兩種方式

// 1. 繼承 Thread
class MyThread extends Thread {
    @Override public void run() { /* 執行邏輯 */ }
}
new MyThread().start();

// 2. 實作 Runnable（推薦，支援 Lambda）
Runnable task = () -> { /* 執行邏輯 */ };
new Thread(task).start();

區別：Runnable 解耦任務與執行機制，方便提交至線程池；Thread 適合簡單繼承場景。

二、線程生命週期

六大狀態：NEW → RUNNABLE → BLOCKED/WAITING/TIMED_WAITING → TERMINATED。

• start()：進入 RUNNABLE，等待 CPU 調度。
• sleep(ms)：TIMED_WAITING，不釋放鎖。
• wait()：WAITING，釋放鎖，需 notify() 喚醒。
• join()：等待目標線程終止。
• yield()：主動讓出 CPU，回 RUNNABLE。
• interrupt()：中斷標記，配合 isInterrupted() 實現優雅停止。

三、常用控制方法

四、同步與鎖

1. synchronized

// 同步方法
public synchronized void add() { count++; }
// 同步區塊（推薦細粒度）
public void add() { synchronized(lock) { count++; } }

2. Lock 介面

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock(); try { /* critical section */ } finally { lock.unlock(); }

Lock 支援可中斷鎖、超時鎖、公平鎖、條件變數（Condition），功能更強大。

五、線程通訊：wait/notify/Condition

// Object 監視器
synchronized(obj) {
    while (conditionNotMet) obj.wait();
    // 執行任務
    obj.notifyAll();
}

// Lock Condition（更靈活，支援多條件隊列）
Condition notFull = lock.newCondition();
Condition notEmpty = lock.newCondition();
lock.lock();
try {
    while (queue.size() == capacity) notFull.await();
    queue.add(item);
    notEmpty.signal();
} finally { lock.unlock(); }

六、生產者-消費者完整範例

class Buffer {
    private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private final int capacity = 10;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition(), notEmpty = lock.newCondition();

    public void produce(int value) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == capacity) notFull.await();
            queue.offer(value);
            notEmpty.signal();
        } finally { lock.unlock(); }
    }
    public int consume() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) notEmpty.await();
            int val = queue.poll();
            notFull.signal();
            return val;
        } finally { lock.unlock(); }
    }
}

七、守護線程與優先級注意事項

• 守護線程（GC、JIT 編譯器）在所有用戶線程結束後自動終止。
• 優先級僅是提示，不保證執行順序；跨平台行為差異大，不建議依賴。
• 優雅停止：使用 volatile boolean running 標誌 + interrupt() 打斷阻塞。

八、總結

掌握線程生命週期、同步工具（synchronized/Lock）、通訊機制（wait/notify/Condition）是並發編程核心。實務中優先使用高層抽象（ExecutorService、CompletableFuture、BlockingQueue、並發集合）降低複雜度與 Bug 風險。