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Java 多線程程式設計完整指南：從核心原理到實戰模式

編輯：Java 程式設計入門

一、理解多線程本質

多線程允許程式中並發執行多個指令流，每個指令流稱為一個線程，彼此獨立。線程又稱輕量級進程，擁有獨立執行控制，由作業系統調度。關鍵差異：線程無獨立儲存空間，隸屬進程內所有線程共享同一記憶體空間，使線程間通訊遠較進程簡單。

多線程執行邏輯上「同時」，物理上視 CPU 核心數而定。單核 CPU 透過時間片輪轉模擬並發，切換極快用戶無感知。多線程與單線程最大設計差異在於：各線程控制流獨立導致代碼亂序執行，引發線程調度、同步等核心挑戰。

二、Java 實現多線程的兩大標準路徑

路徑一：繼承 Thread 類別，覆寫 run()

public class MyThread extends Thread {
    private int count = 1;
    private final int number;

    public MyThread(int num) {
        this.number = num;
        System.out.println("建立線程 " + number);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("線程 " + number + ": 計數 " + count);
            if (++count == 6) return;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new MyThread(i + 1).start();
        }
    }
}

優點：直觀、符合繼承習慣。
缺點：Java 單一繼承限制，若類別已繼承其他父類（如 Applet）則無法使用。

路徑二：實作 Runnable 介面（推薦）

public class MyRunnable implements Runnable {
    private int count = 1;
    private final int number;

    public MyRunnable(int num) {
        this.number = num;
        System.out.println("建立線程 " + number);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("線程 " + number + ": 計數 " + count);
            if (++count == 6) return;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new MyRunnable(i + 1)).start();
        }
    }
}

優點：避免繼承限制、利於封裝、同一 Runnable 實例可被多線程共享（適合賣票等場景）。
缺點：需額外建立 Thread 實例、若需多組不同邏輯仍需多類別。

核心區別總結

維度	extends Thread	implements Runnable
繼承限制	佔用唯一繼承名額	無繼承限制
邏輯與控制分離	混合	分離（Runnable 只管邏輯）
共享邏輯實例	困難	天然支援
取得當前線程	`this`	`Thread.currentThread()`

三、線程四大狀態與生命週期

新建：new Thread() 已建立，未呼叫 start()
可執行：start() 後，等待 CPU 時間片，包含 Running 與 Ready
阻塞：無法獲得 CPU，等待條件（鎖、I/O、sleep、wait）
終止：run() 正常返回、拋出未捕獲異常、呼叫 stop()（不推薦）

四、線程優先級與調度

範圍：1 (MIN_PRIORITY) ~ 10 (MAX_PRIORITY)，預設 5 (NORM_PRIORITY)
高優先級獲得 CPU 機率較大，但非絕對佔有
getPriority()/setPriority() 存取
Java 採用搶佔式調度：最高優先級線程搶佔 CPU

五、線程同步核心機制

synchronized 關鍵字：兩種用法


// 1. 同步方法：鎖住 this（實例方法）或 Class 物件（靜態方法）
public synchronized void accessVal(int newVal) { ... }

// 2. 同步區塊：指定鎖物件，粒度更細、靈活度更高
synchronized (syncObject) {
    // 受保護代碼
}

鎖機制本質

每個物件擁有一把內建鎖（Monitor）
同步方法/區塊執行前必須獲得鎖，執行完釋放
同一時間每個物件鎖僅能被一線程持有
確保所有訪問共享資料的方法均為 synchronized 即可避免衝突

常見錯誤：將大方法或 run() 設為 synchronized

導致該線程終身持有鎖，其他同步方法永無機會執行。解法：提煉關鍵區塊為獨立同步方法，或使用同步區塊縮小鎖範圍。

六、線程阻塞與協作機制

方法	所屬類別	釋放鎖	典型用途
sleep(ms)	Thread	否	定時輪詢、延遲重試
suspend()/resume()	Thread	否	已棄用，易死鎖
yield()	Thread	否	主動讓出 CPU，保持可執行態
wait()/notify()	Object	是	線程間協作、生產消費者模式

wait/notify 核心規則（必須遵守，否則 `IllegalMonitorStateException`）

必須在 synchronized 方法/區塊內呼叫
呼叫物件的鎖必須為當前線程持有
wait() 釋放鎖並進入等待集；notify() 隨機喚醒一線程，notifyAll() 喚醒全部

生產者-消費者經典範式


class Buffer {
    private final List<Object> queue = new ArrayList<>();
    private final int capacity;

    public synchronized void put(Object item) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) wait();  // 滿等待
        queue.add(item);
        notifyAll();  // 喚醒消費者
    }

    public synchronized Object take() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) wait();  // 空等待
        Object item = queue.remove(0);
        notifyAll();  // 喚醒生產者
        return item;
    }
}