忘掉 Java 並發，先聽完這個故事。。。

• 2019 年 11 月 23 日
• 筆記

來源：cnblogs.com/flashsun/p/11017431.html

最近在給別人講解 Java 並發編程面試考點時，為了解釋鎖對象這個概念，想了一個形象的故事。

後來慢慢發現這個故事似乎能講解 Java 並發編程中好多核心概念，於是完善起來形成了這篇文章。

大家先忘記並發編程，只聽我給你講個故事：

故事可能比較奇怪，有這麼一個學校，裏面有好多好多人，我們簡單分成學生、老師、以及宿管阿姨。

學校中間還有一個很奇葩的水果超市，裏面有個倉庫放着蘋果、西瓜、橘子。來這個超市的人，一方面可以拿走水果吃掉，另一方面也可以送來水果還錢。

不過超市還有一個很奇葩的規則，就是學生只能去吃或者送蘋果，老師則只能是吃或者送西瓜，宿管阿姨只能是吃或者送橘子。

這個超市的進出也很有規矩，來這個超市的人，必須持有相應的證件，學生則需要持有學生證，老師需要持有教師證，宿管阿姨需要持有阿姨證。

這三個證每個都分別只有一個，保管在超市門口的一個領證處，人們進入這個超市之前，必須先去取證處那裡領取相應的證件才能進入。

如果證件暫時被別人取走了拿不到，則需要到後方的等待區裏面排隊等證。那這個等待區也有三個，分別是學生證等待區，教師證等待區，阿姨證等待區。

進入超市裏面就更加奇葩了，不論是要從這個超市拿走水果，還是要送來水果，都需要通過一個操作台來控制，而這個操作台，同一時刻只能有一個人進行操作。

這個操作台為了防止有人霸佔操作台過長時間，只允許一個人持續操作 10s，10s 之後會在屏幕上顯示一個 ID，只有這個 ID 的人才能來操作。

至於選擇什麼號碼，老師學生或是宿管阿姨都無法決定和干預，只能任憑這個操作台來決策。

但好在，每個人在操作台上都有自己的賬號，操作一半被中斷的數據並不會丟失。

這個故事的背景就介紹完了，下面這個學校就發生了各種各樣的事。

首先我們假設，進這所學校的人，都是為了去超市做事情。某一時刻，操作台上顯示了一個號碼 2 號，這個號碼通過各種學校大屏幕通知給所有的人。

於是 ID 為 2 號的學生小明看到了自己的號碼，得知自己獲得了進入超市操作控制台的權利，於是出發前往超市。

小明首先到超市門口，問領證處的管理人員，「給我一張學生證！」。

管理人員找了找發現有一張學生證，於是便給了小明。小明拿到了學生證，順利進入超市，並坐在了操作台前，登錄了自己的賬號系統。

小明此行的目的是為了拿走一個蘋果，於是他點擊了蘋果商品的圖標，系統顯示蘋果還有 4 個。

於是小明順利地拿走了蘋果，系統將蘋果數量 -1，將新的蘋果數量 3 記錄到總系統庫中。

接着小明走出超市，將學生證交還給了領證處，走出了校園，消失在外面的人海中。

接着操作台上顯示了3號，同樣通過學校大屏幕通知給了所有人。ID 為 3 號的學生小張看到了自己的號碼，得知自己獲得了進入超市操作控制台的權利，於是出發前往超市。

小張和小明做着完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點擊完了蘋果商品的圖標，系統就顯示了下一個人的號碼 5 號。此時小明只能被迫終止自己的操作，讓出操作台的權利。

ID 為 5 號的學生小王接到通知，興沖沖地前往超市，並在領證處問管理人員，「給我一張學生證！」

管理人員找了找，發現學生證已經被小張取走了，只能告訴小王，「抱歉，學生證暫時沒有，請到後面的學生證等待區排隊吧！」。小王沒辦法，只能乖乖去排隊了。

這時操作台再次顯示了 3 號，也就是剛剛操作到一半的小張。小張此時還在超市裡，並不需要重新進入，於是小張趕緊到操作台前繼續着剛剛的操作，取走了一個蘋果，離開了超市，交還了學生證。

此時領證處的管理人員收到了學生證，對着後面的學生證排隊區喊，「學生證有啦，排隊的人過來取吧！」

正在排隊等證的 5 號小王聽到後，從排隊的隊列里出來，準備領證並進入超市。但此時操作台上顯示的號是另一個學生 10 號，10 號學生拿走了學生證，進入超市開始操作。

操作到一半，操作台時間限制又到了，顯示了小王的 ID 5 號。小王剛從等待領證的隊列里出來，終於獲得了進行下一步行動的准許，於是走向了領證處，「給我一張學生證！」

由於學生證已經被 10 號拿走，管理人員只能說，「抱歉，學生證暫時沒有，請到後面的學生證等待區排隊吧！」。

小王一看等了那麼久居然又被別人搶先了一步，剛想爆粗口，想到了這個學校的名言，「這個世界是不公平的」，於是又乖乖走向了學生證等待區，繼續排隊。

等 10 號操作完出來了，還了學生證，小王又被領證處管理員喊話，「學生證有啦，排隊的人過來取吧！」。

小王走出排隊區，而此時操作台終於顯示了小王的號碼 5 號。小王這次順利領取了學生證，進入了超市，坐在了操作台上，登錄了自己的系統。

小王想買蘋果，於是點擊了蘋果商品的按鈕，但系統顯示蘋果數量為 0！

小王此時想了想，有了個接下來的計劃：

• 繼續呆在超市裡，得空就去操作台上查詢一下蘋果的數量，直到有蘋果為止。但繼續呆在超市裡，可能導致想向超市送蘋果的學生拿不到學生證，而自己也就永遠無法得到蘋果了，顯然不妥。
• 所以小王的另一個想法是，走出超市，交還學生證，等下次有機會再進入超市查看蘋果數量，直到有蘋果為止。這樣雖然有機會得到蘋果，但太累了，假如這期間根本沒人往超市送蘋果，那這一趟趟其實是白費事的。
• 於是小王想出了一個聰明的方案，我可以走出超市，到一個地方等待，在這裡不會收到操作台的通知。但如果有人向超市送蘋果了，那這個等待區里會發一個信號，這時超市才有可能是有蘋果的，這時我從等待區里出來，等待叫號的機會。雖然蘋果有可能被其他吃蘋果的學生搶沒，但這樣起碼不會浪費太多時間。

剛剛好超市旁邊為每一種水果準備了好多等待區，一共有六個，分別是：蘋果沒了等待區，西瓜沒了等待區，橘子沒了等待區。蘋果滿了等待區，西瓜滿了等待區，橘子滿了等待區。

小王很聰明，去了蘋果沒了等待區，等待着有人往裡送蘋果的信號。這時小孫走進了超市，給超市添置了 5 個蘋果，並換來了零花錢。

之後他立刻通知蘋果沒了等待區，給了個信號「超市有蘋果啦！」，但此時小孫還沒有走出超市呢。

小王在等待區里收到信號，立刻走出了等待區，等待被叫號，以完成自己吃蘋果的任務。

但很不幸，在小王得到叫號機會之前，蘋果又被其他幾個學生搶光了，這時才輪到小王。

小王也很聰明，他考慮到了這種情況，沒有直接取蘋果，而是重新查詢了一遍蘋果數量，發現蘋果數量為 0，於是重複之前的步驟，小王再次回到了蘋果沒了等待區。

接下來的時間裏，小王不斷在蘋果沒了等待區和學生證等待區移動，小王發現為了吃一個蘋果太難了，必須同時滿足：蘋果沒了等待區發來了「超市有蘋果了」的信號，領證區此時有學生證，並且在操作台上查詢出的蘋果數量不為 0。

終於有一次，小王成功滿足了這三個條件，在操作台上看到蘋果的數量為 1！小王正激動地準備按下購買按鈕，可此時操作台一閃，突然出現了別人的號碼。

這個人是超市管理員，拿着一張特殊的超市管理員證順利進入了超市，將蘋果拿走，此時蘋果數量又變成了 0。

之後又輪到小王操作，但小王並不知道之前發生的一切，他眼中明明看到蘋果數量是 1。

小王為了保險起見，又多次查詢了蘋果數量，發現仍然是 1，於是興奮地點下了購買按鈕！

於是，操作台對根本沒有蘋果的儲藏區發出了取蘋果的指令，該系統根本沒有想到會有這種事情發生，於是機器炸了，整個學校夷為平地。

數年後，學校慢慢被重新建立了起來，之前做操作台的人已經被槍斃了，高薪聘請了一位高人來建造，解決了之前的那個問題。

超市又順利運轉起來，有時超市只有一個人，有時超市會有三個人，分別是學生、老師、宿管阿姨，他們仨人互不影響，相安無事。學校的生活再次豐富了起來。

———————-華麗的分割線———————–

這個故事包含了 Java 多線程的大部分核心問題，下面我把故事重新講一遍。

有這麼一個學校（Java 虛擬機），裏面有好多好多人（線程），我們簡單分成學生、老師、以及宿管阿姨。

學校中間還有一個很奇葩的水果超市（臨界區），裏面有個倉庫放着蘋果、西瓜、橘子（臨界區里的受保護資源）。

來這個超市的人，一方面可以拿走水果吃掉，另一方面也可以送來水果還錢。不過超市還有一個很奇葩的規則，就是學生只能去吃或者送蘋果，老師則只能吃或者送西瓜，宿管阿姨只能吃或者送橘子。

這個超市的進出也很有規矩，來這個超市的人，必須持有相應的證件（鎖對象），學生則需要持有學生證，老師需要持有教師證，宿管阿姨需要持有阿姨證（不同的鎖對象）。

這三個證每個都分別只有一個，保管在超市門口的一個領證處（獲取鎖的地方，可以說是堆吧），人們進入這個超市之前，必須先去取證處那裡領取相應的證件（獲取鎖）才能進入。

如果證件暫時被別人取走了拿不到（獲取鎖失敗），則需要到後方的等待區（同步隊列 SychronizedQueue）裏面排隊等證。

那這個等待區也有三個，分別是學生證等待區，教師證等待區，阿姨證等待區（每個鎖對象對應一個同步隊列）。

進入超市裏面就更加奇葩了，不論是要從這個超市拿走水果，還是要送來水果，都需要通過一個操作台（單核 CPU）來控制，而這個操作台，同一時刻只能有一個人進行操作。

這個操作台為了防止有人霸佔操作台過長時間，只允許一個人持續操作 10s（CPU 時間片），10s 之後會在屏幕上顯示一個 ID，只有這個 ID 的人才能來操作（線程切換）。

至於選擇什麼號碼，老師學生或是宿管阿姨都無法決定和干預，只能任憑這個操作台來決策（操作系統決定線程的切換和時間的分配）。

但好在，每個人在操作台上都有自己的賬號（線程的工作內存），操作一半被中斷的數據並不會丟失。

這個故事的背景就介紹完了，下面這個學校就發生了各種各樣的事。

首先我們假設，進這所學校的人，都是為了去超市做事情。首先人出現在學校外（線程狀態 NEW），人進入學校（線程狀態 RUNNABLE）。

某一時刻，操作台上顯示了一個號碼 2 號，這個號碼通過各種學校大屏幕通知給所有的人。

於是 ID 為 2 號的學生小明看到了自己的號碼，得知自己獲得了進入超市操作控制台的權利（獲得 CPU 執行權），於是出發前往超市。

小明首先到超市門口，問領證處的管理人員，「給我一張學生證！」（獲取鎖）。管理人員找了找發現有一張學生證，於是便給了小明。

小明拿到了學生證，順利進入超市（獲取鎖成功，進入臨界區），並坐上了操作台前，登錄了自己的賬號系統（準備好工作內存，開始執行臨界區代碼）。

小明此行的目的是為了拿走一個蘋果，於是他點擊了蘋果商品的圖標，系統顯示蘋果還有 4 個。

於是小明順利地拿走了蘋果，系統將蘋果數量 -1，將新的蘋果數量 3 記錄到總系統庫中（代碼）。

接着小明走出超市（代碼執行完畢出臨界區），將學生證交還給了領證處（釋放鎖），走出了校園（線程狀態 TERMINAL），消失在外面的人海中。

接着操作台上顯示了 3 號，同樣通過學校大屏幕通知給了所有人。ID 為 3 號的學生小張看到了自己的號碼，得知自己獲得了進入超市操作控制台的權利，於是出發前往超市。

小張和小明做着完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點擊完了蘋果商品的圖標，系統就顯示了下一個人的號碼 5 號。此時小張只能被迫終止自己的操作，讓出操作台的權利（線程切換）。

ID 為 5 號的學生小王接到通知，興沖沖地前往超市，並在領證處問管理人員，「給我一張學生證！」。

管理人員找了找，發現學生證已經被小明取走了，只能告訴小王，「抱歉，學生證暫時沒有，請到後面的學生證等待區（同步隊列 WaitQueue）排隊吧！」（獲取鎖失敗）。

小王沒辦法，只能乖乖去排隊了（線程狀態 BLOCKING）。這時操作台再次顯示了 3 號，也就是剛剛操作到一半的小張。

小張此時還在超市裡（不釋放鎖），並不需要重新進入，於是他趕緊到操作台前繼續着剛剛的操作（線程切換，繼續執行中斷的代碼），取走了一個蘋果，離開了超市，交還了學生證（釋放鎖）。

此時領證處的管理人員收到了學生證，對着後面的學生證排隊區喊，「學生證有啦，排隊的人過來取吧！」（通知同步隊列出隊）。

正在排隊等證的 5 號小王聽到後，從排隊的隊列里出來，準備領證並進入超市。但此時操作台上顯示的號是另一個學生 10 號，10 號學生拿走了學生證，進入超市開始操作。

操作到一半，操作台時間限制又到了，顯示了小王的 ID 5 號。小王剛從等待領證的隊列里出來，終於獲得了進行下一步行動的准許，於是走向了領證處，「給我一張學生證！」。

由於學生證已經被 10 號拿走，管理人員只能說，「抱歉，學生證暫時沒有，請到後面的學生證等待區排隊吧！」

小王一看等了那麼久居然又被別人搶先了一步，剛想爆粗口，想到了這個學校的名言，「這個世界是不公平的」，於是又乖乖走向了學生證等待區，繼續排隊。（非公平鎖，並不是誰等的時間最長誰就獲取鎖）

等 10 號操作完出來了，還了學生證，小王又被領證處管理員喊話，「學生證有啦，排隊的人過來取吧！」。

小王走出排隊區，而此時操作台終於顯示了小王的號碼 5 號。小王這次順利領取了學生證，進入了超市，坐在了操作台上，登錄了自己的系統。

小王想買蘋果，於是點擊了蘋果商品的按鈕，但系統顯示蘋果數量為 0！

小王此時想了想，有了個接下來的計劃：

• 繼續呆在超市裡，得空就去操作台上查詢一下蘋果的數量，直到有蘋果為止。但繼續呆在超市裡，可能導致想向超市送蘋果的學生拿不到學生證，而自己也就永遠無法得到蘋果了，顯然不妥。（Sychronized 代碼塊里循環等待）
• 所以小王的另一個想法是，走出超市，交還學生證，等下次有機會再進入超市查看蘋果數量，直到有蘋果為止。這樣雖然有機會得到蘋果，但太累了，假如這期間根本沒人往超市送蘋果，那這一趟趟其實是白費事的。（Sychronized 代碼塊外循環等待）
• 於是小王想出了一個聰明的方案，我可以走出超市，到一個地方等待（Wait），在這裡不會收到操作台的通知。如果有人向超市送蘋果了，那這個等待區里會發一個信號（Notify），這時超市才有可能是有蘋果的，這時我從等待區里出來，等待叫號的機會。

雖然蘋果有可能被其他吃蘋果的學生搶沒，但這樣起碼不會浪費太多時間。（等待通知機制）

剛剛好超市旁邊為每一種水果準備了好多等待區（等待隊列 WaitQueue），一共有六個，分別是：蘋果沒了等待區，西瓜沒了等待區，橘子沒了等待區，蘋果滿了等待區，西瓜滿了等待區，橘子滿了等待區（條件變量 Condition）。

小王很聰明，走出超市交還學生證（Wait 會釋放鎖），去了蘋果沒了等待區（Wait），等待着有人往裡送蘋果的信號（同步信號-喚醒）。

這時小孫走進了超市，給超市添置了 5 個蘋果，並換來了零花錢。之後他立刻通知蘋果沒了等待區，給了個信號「超市有蘋果啦！（AppleNotEmpty.notifyAll）」，但此時小孫還沒有走出超市呢（Notify 不釋放鎖）。

小王在等待區里收到信號，立刻走出了等待區，等待被叫號，以完成自己吃蘋果的任務。

但很不幸，在小王得到叫號機會之前，蘋果又被其他幾個學生搶光了，這時才輪到小王。

小王也很聰明，他考慮到了這種情況，沒有直接取蘋果，而是重新查詢了一遍蘋果數量（Wait 一般配合 While 條件），發現蘋果數量為 0，於是重複之前的步驟，小王再次回到了蘋果沒了等待區。

接下來的時間裏，小王不斷在蘋果沒了等待區和學生證等待區移動，小王發現為了吃一個蘋果太難了，必須同時滿足，蘋果沒了等待區發來了「超市有蘋果了」的信號，領證區此時有學生證，並且在操作台上查詢出的蘋果數量不為 0。

終於有一次。小王成功滿足了這三個條件，在操作台上看到蘋果的數量為 1！小王正激動地準備按下購買按鈕，可此時操作台一閃，突然出現了別人的號碼。

這個人是超市管理員，拿着一張特殊的超市管理員證順利進入了超市，將蘋果拿走，此時蘋果數量又變成了 0。

之後又輪到小王操作，但小王並不知道之前發生的一切，他眼中明明看到蘋果數量是 1。

小王為了保險起見，又多次查詢了蘋果數量，發現仍然是 1（非 Volatile 修飾的變量不保證線程之間的可見性），於是興奮地點下了購買按鈕！

於是，操作台對根本沒有蘋果的儲藏區發出了取蘋果的指令，該系統根本沒有想到會有這種事情發生，於是機器炸了，小王犧牲（拋出運行時異常，線程釋放鎖並終止）。

數年後，之前做操作台的人已經被槍斃了，學校又高薪聘請了一位高人來建造，解決了之前的那個問題（Volatile）。

超市又順利運轉起來，有時超市只有一個人（不同線程進入鎖對象相同的臨界區會互斥，只有一個線程可以進入），有時超市會有三個人（不同鎖對象的臨界區不互斥），分別是學生、老師、宿管阿姨，他們仨人互不影響，相安無事。學校的生活再次豐富了起來。

故事講完了，雖然不能解釋全部並發編程的內容，也不能處處都很恰當地說明細節，但卻是一個很有趣的思考過程。

希望大家也能積極討論下故事中的錯誤和不完善的地方，一起將故事講的更好。

下面整理一下故事中出現的東西和寓意：