Java 多線程編程實戰：從 Thread/Runnable 到同步機制全景圖

為什麼需要多線程？

單線程程序中，四個無關任務（打印、文件操作、數據庫訪問、繪圖）串行等待，資源利用率極低。多線程讓任務並發執行，如同現實中「寫信時讓兒子去買郵票」。

進程 vs 線程

• 進程：重量級，獨立內存空間，通信困難，創建銷毀開銷大
• 線程 (LWP)：輕量級，共享進程內存，通信自然，創建銷毀廉價，Java 語言級原生支持

兩種實現線程的方式

方式一：繼承 Thread 類，重寫 run()

public class TimePrinter extends Thread {
    private int pauseTime;
    private String name;

    public TimePrinter(int pauseTime, String name) {
        this.pauseTime = pauseTime;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                System.out.println(name + ": " + new Date());
                Thread.sleep(pauseTime);
            } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new TimePrinter(1000, "Fast Guy").start();
        new TimePrinter(3000, "Slow Guy").start();
        // main 線程繼續運行...
    }
}

缺點：Java 單繼承限制，若類已繼承 Applet 等則無法使用。

方式二：實現 Runnable 接口（推薦）

public class TimePrinter implements Runnable {
    // 構造器、字段同前...
    @Override public void run() { /* 同前 */ }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new TimePrinter(1000, "Fast Guy")).start();
        new Thread(new TimePrinter(3000, "Slow Guy")).start();
    }
}

優勢：不強加類層次，同一 Runnable 實例可被多個 Thread 包裝，靈活構建線程池等模式。

線程生命周期四態

1. 新建：new Thread()，未 start()
2. 可運行：就緒佇列中等待 CPU 時間片
3. 阻塞：睡眠、等待 I/O、嘗試獲取鎖
4. 死亡：run() 正常返回；不推薦 stop()（拋異常）、destroy()（強制終止不釋放鎖）

線程優先級

• 範圍：1 (MIN_PRIORITY) ~ 10 (MAX_PRIORITY)，默認 5 (NORM_PRIORITY)
• 高優先級獲得 CPU 機會更大，非獨佔；getPriority()/setPriority() 動態調整

同步機制：synchronized 關鍵字

1. 同步方法

public synchronized void accessVal(int newVal) { /* 訪問共享變量 */ }

• 每個對象實例一把鎖（this）
• 同步方法執行前必須獲取鎖，返回時釋放
• 靜態同步方法鎖定 Class 對象

2. 同步塊（細粒度控制）

synchronized (syncObject) { // 只鎖住關鍵代碼段
    // 訪問共享變量
}

• syncObject 可為任意對象，通常用 this 或共享數據對象
• 避免將大方法（如 run()）整體同步導致並發度崩潰

最佳實踐總結

• 優先 Runnable + 線程池 (ExecutorService) 管理線程生命周期
• 共享可變狀態最小化，优先用 ThreadLocal、不可變對象、並發集合 (java.util.concurrent)
• 同步塊比同步方法粒度更細，性能更優
• 避免在同步塊中調用耗時操作（I/O、睡眠）