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Java 多執行緒與並發程式設計核心總結

編輯：Java 綜合教學

Java 多執行緒與並發程式設計核心總結

一、計算機系統基礎與並發起源

現代計算機系統為了提高 CPU 利用率，引入了多任務處理機制。從單核心的時間片輪轉，到多核心的真正並行執行，並發程式設計成為充分發揮硬體效能的關鍵。Java 作為企業級開發主流語言，提供了豐富的並發工具與機制。

二、執行緒基礎與生命週期

1. 建立執行緒的三種方式

繼承 Thread 類別：覆寫 run() 方法
實作 Runnable 介面：實作 run() 方法，配合 Thread 執行（推薦，支援多型）
實作 Callable 介面：配合 FutureTask 可取得回傳值與拋出異常

2. 執行緒六大狀態

NEW → RUNNABLE → BLOCKED/WAITING/TIMED_WAITING → TERMINATED。理解狀態轉換對診斷死結、飢餓等問題至關重要。

三、執行緒安全與同步機制

1. 核心問題：原子性、可見性、有序性

原子性：操作不可分割，使用 synchronized、Lock、原子類別
可見性：一個執行緒修改後對其他執行緒立即可見，使用 volatile、synchronized、final
有序性：防止指令重排序，使用 volatile、synchronized、happens-before 規則

2. synchronized 關鍵字深度解析

// 修飾實例方法：鎖住 this
public synchronized void method() { }

// 修飾靜態方法：鎖住 Class 物件
public static synchronized void staticMethod() { }

// 同步區塊：精確控制鎖範圍
public void method() {
    synchronized(lockObject) {
        // 臨界區程式碼
    }
}

3. Lock 介面與 ReentrantLock

提供比 synchronized 更靈活的控制：可中斷鎖、超時等待、公平/非公平鎖、條件變數等。

四、Java 記憶體模型 (JMM)

定義主記憶體與工作記憶體交互規範，happens-before 規則是判斷執行緒安全的核心依據：

程式次序規則
鎖規則（unlock happens-before lock）
volatile 變數規則
執行緒啟動規則（start() happens-before 執行緒內動作）
執行緒終止規則
傳遞性

五、並發容器與工具類

分類	代表類別	適用場景
並發 Map	ConcurrentHashMap	高併發快取、計數器
阻塞佇列	ArrayBlockingQueue, LinkedBlockingQueue	生產者-消費者模式
執行緒安全集合	CopyOnWriteArrayList/Set	讀多寫少、遍歷頻繁
同步工具	CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore	協調多執行緒執行順序
原子類別	AtomicInteger, AtomicReference	無鎖計數器、CAS 操作

六、執行緒池與 Executor 框架

1. 核心參數（ThreadPoolExecutor）

corePoolSize：核心執行緒數
maximumPoolSize：最大執行緒數
keepAliveTime：非核心執行緒存活時間
workQueue：任務佇列
threadFactory：執行緒工廠
handler：拒絕策略

2. 四種預設執行緒池（不建議生產直接使用）

FixedThreadPool：固定大小，適合負載穩定
CachedThreadPool：動態伸縮，適合短任務爆發
SingleThreadExecutor：單執行緒序列化執行
ScheduledThreadPool：定時/週期性任務

3. 生產環境建議：自訂執行緒池

ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
    4, 8, 60L, TimeUnit.SECONDS,
    new LinkedBlockingQueue<>(1000),
    new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("biz-%d").build(),
    new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()  // 拒絕策略：呼叫者執行
);