4. 併發與多執行緒（Concurrency and Multithreading）

#執行緒（Threads）
執行緒是 Java 中實現多執行緒（Multithreading）和併發程式設計的核心。每個應用程式都至少有一個主執行緒（main thread），但可以創建更多的執行緒來同時執行多個任務。

• Thread類：繼承 Thread類可以創建新的執行緒。通過覆寫 run()方法來定義執行緒的任務，並使用 start()方法啟動執行緒。
• Runnable介面：另一種創建執行緒的方法是實作 Runnable介面，並將該實作傳遞給 `
  Thread的構造函數，這樣可以避免直接繼承 Thread類，允許類繼承其他類別。

這兩種方式都能夠讓多個任務並行執行，但由於執行緒是輕量級的系統資源，創建和管理它們必須小心，否則可能會導致性能問題或資源浪費。

#執行緒同步
在多執行緒環境下，不同執行緒可能會同時讀寫共享資料，這會導致資料不一致的問題。為了防止這種情況，Java 提供了多種同步機制：

• synchronized關鍵字：synchronized用於確保某個區塊或方法在同一時間只被一個執行緒訪問，從而避免多執行緒下的競爭條件（race conditions）。它可以用來鎖定物件或方法，使其他執行緒必須等待。

• 鎖（Locks）：Java 的 java.util.concurrent.locks提供了更靈活的鎖機制，例如 ReentrantLock。與 synchronized不同，鎖提供了更多控制權，例如嘗試獲取鎖、非阻塞的鎖以及可中斷的鎖操作。

• 執行緒安全的資料結構：Java 提供了一些內建的執行緒安全的資料結構，例如 Vector、Hashtable。但在實際開發中，這些通常會被更高效的併發集合（如 ConcurrentHashMap）取代。

#高階併發工具
Java 的 java.util.concurrent套件提供了一些強大的工具來管理和協調多執行緒的操作：

• ExecutorService：這是一個框架，用來管理和執行多個執行緒的生命週期。它允許執行緒池（thread pool）的創建，避免頻繁創建與銷毀執行緒，從而提升性能、簡化執行緒的提交、管理和終止。

• CountDownLatch：這是一種計數器，用來讓一個或多個執行緒等待，直到其他多個執行緒完成工作。計數器初始設定為一個整數值，每當一個執行緒完成任務時，計數器遞減，當計數器歸零時，等待的執行緒才會繼續執行。

• Semaphore：用來限制同一時間內訪問某資源的執行緒數量。它可以用於實現資源的配額控制，確保某些關鍵資源不會被過度佔用。

• CyclicBarrier：允許一組執行緒在到達某個同步點後同時繼續執行。當所有執行緒都到達屏障點（barrier），它們才會繼續後續的執行，這對於多執行緒之間的協調有很大幫助。

#併發集合
併發集合是專門為多執行緒環境設計的資料結構，它們能夠高效地處理多執行緒同時訪問的問題，而不需要顯式地使用鎖。

• ConcurrentHashMap：一種高效的執行緒安全的 Map實現，它使用了一種細粒度鎖（Segmented Lock）來確保多執行緒可以同時讀寫 Map的不同部分，極大地提升了性能。在大多數情況下，它是 HashMap的併發版本，並且性能優於傳統的 Hashtable。