Java 的多執行之管理執行緒，優先權隊列、鎖定資源 synchronized

Java 多執行緒

在實務中實作執行緒功能時，常需要管理這些產生的執行緒，如隊列與防止不同執行緒同時去存取到一個資源。本文章延續自以下幾篇文章:

執行緒的隊列（queue）

當執行緒的 sleep() 或 yeild() 方法被呼叫時，會暫停目前的工作，並進入執行緒的隊列（ready queue）排隊等待下一次 CPU 的執行單位。

使用 sleep( t ) 會暫停目前工作 t 毫秒，並進入隊列中等待執行，使用 yield() 方法則會讓出目前 CPU 的執行時間，直接進入隊列等待執行。

資源的鎖定

設計多執行緒程式時需考慮到避免多個執行緒存取同一個資源，例如不同執行緒同時間去開啟同一個檔案，Java 語言利用「同步方法 (method-level)」與「同步區塊 (block-level)」這兩個方式，提供開發人員使用，以避免此問題的發生。

同步方法

若為一個類別的方法加上 synchronized 修飾字，則會限定在同一時間，只能由此一個物件使用這個方法。假設有個繼承了 Thread 類別的魔法師 Wizard 類別，它擁有一個發出雷電的方法 thunder()，並持續兩秒鐘的時間，依照遊戲的規定，同一時間只能有一個魔法師使出雷電，假若目前場上有三個魔法師，Wizard 類別的設計如下：

03  public class Wizard extends Thread {
04      public void run() {
05          thunder();
06      }
07
08      public void thunder(){
09          System.out.println("THUNDER!!");
10          try {
11              sleep(2000);
12          } catch (InterruptedException e) {
13              e.printStackTrace();
14          }
15          System.out.println("END");
16      }
17
18      public static void main(String[] args) {
19          Wizard wizard = new Wizard();
20          Thread thr1 = new Thread(wizard);
21          thr1.start();
22          Thread thr2 = new Thread(wizard);
23          thr2.start();
24      }
25  } 

上述的 main 方法中產生兩個魔法師執行緒，並執行它們，在它們的 run() 方法中皆馬上呼叫 thunder() 方法，使用雷電絕招，執行結果如下：

THUNDER!!
THUNDER!!
END
END 

這樣的結果違背了遊戲的規定，同時間只能有一個執行緒使用 thunder()，要達到這個功能就需要同步方法（synchronized method），在 thunder 方法前加上「synchronized」修飾字，使其成為同步方法。同步方法被限定只能有一個物件單獨使用它，另一個執行緒就必需等待前一個執行完畢後才能取得執行權，thunder() 方法修改如下：

public synchronized void thunder() {
   ...(省略) 

再執行的結果，成功地限定同一時間只能讓一個執行緒執行雷電絕招：

THUNDER!!
END
THUNDER!!
END 

同步區塊

上述的同步方法可以達成大部份的需求，但是如果必需同步化的方法是由父類別繼承而來而無法更改，或是無法修改該方法為 synchronized 時，可以使用「同步區塊 (synchronized block)」，限定只能由單一執行緒能執行某段程式碼，與同步方法不同的是，同步區塊必需指定一個需要同步的物件，同步區塊的規格如下圖：

synchronized( 物件 ){
   程式碼
   程式碼
} 

將上一個魔法師類別稍作修改，成為 Wizard2 類別，同樣的遊戲規定，但取消 thunder()方法，而將其工作移至 run() 方法中，並為其加入同步區塊的設計：

03  public class Wizard2 extends Thread {
04      public void run() {
05          synchronized (this) {
06              System.out.println("THUNDER!!");
07              try {
08                  sleep(2000);
09              } catch (InterruptedException e) {
10                  e.printStackTrace();
11              }
12              System.out.println("END");
13          }
14      }
15
16      public static void main(String[] args) {
17          Wizard2 wizard = new Wizard2();
18          Thread thr1 = new Thread(wizard);
19          thr1.start();
20          Thread thr2 = new Thread(wizard);
21          thr2.start();
22      }
23  } 

Wizard2 類別的執行結果，可以達到與同步方法相同的效果：

THUNDER!!
END
THUNDER!!
END 

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