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Java 多線程程式設計深度解析：從入門到核心原理

編輯：Java 相關知識

多線程是實現程式並發執行的核心機制，允許單一程式中同時運行多個指令流，每個指令流稱為一個線程，彼此獨立調度。本文將系統剖析 Java 多線程的核心概念、實現方式、狀態模型、同步機制與進階特性。

一、理解多線程本質

線程被稱為輕量級進程，擁有獨立執行控制權，由作業系統調度。關鍵差異在於：線程無獨立存儲空間，而是與所屬進程中其他線程共享堆內存與方法區，這使得線程間通訊遠比進程間通訊（IPC）簡單高效。

多線程執行邏輯上「同時」，物理上取決於 CPU 核心數。單核 CPU 透過時間片輪轉實現併發，多核則可真正並行。開發者只需按並發模型設計，無需關心底層調度細節。

與單線程最大區別：多線程代碼執行順序不確定（亂序執行），引發線程調度、數據競態、同步互斥等核心挑戰。

二、Java 實現多線程的兩大路徑

Java 透過 java.lang.Thread 類支援多線程，核心在於指定線程執行代碼（run() 方法）。兩種實現方式：

1. 繼承 Thread 類

public class MyThread extends Thread {
    private int number;
    public MyThread(int num) { this.number = num; }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            System.out.println("線程 " + number + ": 計數 " + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) new MyThread(i).start();
    }
}

優點：直觀簡單。缺點：Java 單繼承限制，若類已繼承其他父類（如 Applet），無法再繼承 Thread。

2. 實現 Runnable 接口（推薦）

public class MyRunnable implements Runnable {
    private int number;
    public MyRunnable(int num) { this.number = num; }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            System.out.println("線程 " + number + ": 計數 " + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) 
            new Thread(new MyRunnable(i)).start();
    }
}

優點：解耦任務與執行機制，支援同一任務多線程並發，利於資源共享與封裝。缺點：需額外創建 Thread 實例，若需不同任務仍需多類實現。

最佳實踐：優先使用 Runnable 或 Callable + 線程池（ExecutorService），配合 Lambda 表達式簡化代碼。

三、線程四大生命週期狀態

新建：new Thread() 創建，未調用 start()。
可執行：調用 start() 後，等待 CPU 時間片，包含就緒與運行中。
阻塞：等待鎖、I/O、睡眠、等待通知等，放棄 CPU，不佔用時間片。
死亡：run() 正常返回、拋出未捕獲異常、調用 stop()/destroy()（已棄用，不安全）。

四、線程優先級與調度

優先級範圍 1（MIN）~ 10（MAX），預設 5（NORM）。高優先級線程獲取 CPU 機率較大，但非絕對佔有。透過 getPriority()/setPriority() 存取。注意：優先級不應作為程式正確性依賴，僅作優化提示。

五、線程同步：解決共享數據競態

多線程共享堆內存導致訪問衝突。Java 提供 synchronized 關鍵字實現互斥鎖：

1. synchronized 方法

public synchronized void accessVal(int newVal) { ... }

實例方法鎖住 this，靜態方法鎖住 Class 對象。同一時刻僅一線程可執行該實例/類的所有同步方法。

2. synchronized 代碼塊（粒度更細）

synchronized(lockObject) {
    // 臨界區代碼
}

可指定任意對象為鎖，靈活控制同步範圍，避免大方法同步導致效率低下（如鎖住 run() 會阻塞同類其他同步方法）。

六、線程阻塞與協作機制

同步解決「互斥」，阻塞機制解決「協作」（資源就緒通知）。

核心方法對比

方法	所屬類	釋放鎖	喚醒方式	適用場景
`sleep(ms)`	Thread	否	時間到期	定時輪詢、延遲執行
`suspend()/resume()`	Thread	否	調用 resume()	已棄用，易死鎖
`yield()`	Thread	否	調度器重新分配	主動讓出 CPU，同優先級輪轉
`wait()/notify()`	Object	是	調用 notify()/notifyAll()	生產者消費者、條件等待