Java 多執行緒核心功力：從基礎概念到執行緒池實戰

Java 多執行緒核心功力：從基礎概念到執行緒池實戰

一、作業系統層面的進程與執行緒

• 進程：記憶體中執行的應用程式，擁有獨立記憶體空間（如 Windows 的 .exe）
• 執行緒：進程內的執行流程，共享進程記憶體，屬於某個進程
• 「同時」執行是人類感覺，實際為 CPU 時間片輪換

二、Java 執行緒實現兩大方式

1. 繼承 Thread 類別

public class TestThread extends Thread {
    public TestThread(String name) { super(name); }
    @Override public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            for (long k = 0; k < 100000000; k++);
            System.out.println(getName() + " :" + i);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new TestThread("阿三").start();
        new TestThread("李四").start();
    }
}

2. 實作 Runnable 介面（推薦）

public class DoSomething implements Runnable {
    private String name;
    public DoSomething(String name) { this.name = name; }
    @Override public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            for (long k = 0; k < 100000000; k++);
            System.out.println(name + ": " + i);
        }
    }
}
public class TestRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new DoSomething("阿三")).start();
        new Thread(new DoSomething("李四")).start();
    }
}

Runnable 方式解耦任務與執行緒控制，支援多執行緒共享同一任務實例。

三、執行緒啟動與常見誤區

• start()：啟動新執行緒，建立新呼叫棧，執行 run()
• 直接呼叫 run()：不會建立新執行緒，單純方法呼叫
• 執行緒名稱：主執行緒固定為 main，子執行緒預設 Thread-0、Thread-1...
• 取得目前執行緒：Thread.currentThread()
• 執行順序無保障：啟動順序 ≠ 執行順序，調度由 JVM 決定
• 執行緒不可重複啟動：已終止的執行緒呼叫 start() 拋出 IllegalThreadStateException

四、執行緒棧模型與狀態轉換

呼叫 t.start() 時，程式分支出新呼叫棧 B，棧 A、B 並行執行。方法調用與執行緒啟動的本質區別在於是否建立新棧。

五大狀態

1. 新建：建立 Thread 物件，未呼叫 start()
2. 可執行：呼叫 start() 後，等待 CPU 調度
3. 執行中：獲得 CPU 時間片，執行 run()
4. 等待/阻塞/睡眠：活著但暫無執行條件（sleep()、wait()、I/O 等待、鎖等待）
5. 死亡：run() 結束或異常終止，不可復生

五、執行緒調度與控制方法

1. sleep() - 靜態方法

try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

• 強制目前執行緒睡眠指定毫秒數
• 醒來進入可執行狀態，不保證立即執行
• 最佳實踐：讓出 CPU 給其他執行緒

2. yield() - 讓步

• 目前執行緒回到可執行狀態，讓同優先級執行緒有機會執行
• 無保證：可能被調度器立即再次選中
• 不會進入等待/阻塞狀態

3. join() - 等待終止

Thread t = new MyThread();
t.start();
// 主執行緒等待 t 結束
t.join();           // 無限等待
t.join(5000);       // 最多等待 5 秒

• 有保證：當前執行緒阻塞直到目標執行緒終止
• 若目標執行緒已死亡，立即返回

4. 優先級

• 範圍 1~10，預設 5（Thread.NORM_PRIORITY）
• 子執行緒繼承父執行緒優先級
• 不可依賴優先級控制邏輯：JVM 可能將多個優先級映射為同一原生優先級

六、離開執行狀態的完整總結

1. Thread.sleep() - 睡眠指定時間
2. Thread.yield() - 讓步（無保證）
3. join() - 等待其他執行緒終止（有保證）
4. run() 正常結束
5. 呼叫物件的 wait()（非執行緒方法）
6. 無法獲得物件鎖（進入同步區塊前）
7. 調度器主動剝奪 CPU（時間片輪換）

七、執行緒池實戰應用

參考文章 168771《Java 執行緒池應用》，核心要點：

• Executors.newFixedThreadPool(n)：固定大小，無界隊列
• Executors.newCachedThreadPool()：動態伸縮，SynchronousQueue
• Executors.newSingleThreadExecutor()：單執行緒循序執行
• Executors.newScheduledThreadPool(n)：定時/週期任務
• shutdown() vs shutdownNow()：優雅關閉 vs 強制中斷