聽故事徹底了解Java 并發

最近在給别人講解Java并發程式設計面試考點時，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并發程式設計中好多核心概念，于是完善起來形成了了這篇文章。

故事可能比較奇怪。有這麼一個學校，裡面有好多好多人，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，裡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，就是學生隻能去吃或者送蘋果，老師則隻能西瓜，宿管阿姨隻能橘子。

　　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。

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

如果證件暫時被别人取走了拿不到，則需要到後方的等待區裡面排隊等證。

那這個等待區也有三個，分别是學生證等待區，教師證等待區，阿姨證等待區。

　　進入超市裡面就更加奇葩了，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，同一時刻隻能有一個人進行操作。

這個操作台為了防止有人霸占操作台過長時間，隻允許一個人持續操作10s鐘，10s之後會在螢幕上顯示一個ID，隻有這個ID的人才能來操作

至于選擇什麼号碼，老師學生或是宿管阿姨都無法決定和幹預，隻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号，操作一半被中斷的資料并不會丢失。

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号碼2号，這個号碼通過各種學校大螢幕通知給所有的人。

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

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，于是便給了小明。小明拿到了學生證，順利進入超市，并坐上了操作台前，登入了自己的賬号系統。

小明此行的目的是為了拿走一個蘋果，于是他點選了蘋果商品的圖示，系統顯示蘋果還有4個。于是小明順利地拿走了蘋果，系統将蘋果數量-1，将新的蘋果數量3記錄到總系統庫中。

接着小明走出超市，将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号，同樣通過學校大螢幕通知給了所有人。ID為3号的學生小張看到了自己的号碼，得知自己獲得了進入超市操作控制台的權利，于是出發前往超市。

小張和小明做着完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點選完了蘋果商品的圖示，系統就顯示了下一個人的号碼5号。此時小明隻能被迫終止自己的操作，讓出操作台的權利。

ID為5号的學生小王接到通知，興沖沖地前往超市，并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，隻能告訴小王，“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，隻能乖乖去排隊了。

這時操作台再次顯示了3号，也就是剛剛操作到一半的小張。小張此時還在超市裡，并不需要重新進入，于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号小王聽到後，從排隊的隊列裡出來，準備領證并進入超市。但此時操作台上顯示的号是另一個學生10号，10号學生拿走了學生證，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号。小王剛從等待領證的隊列裡出來，終于獲得了進行下一步行動的準許，于是走向了領證處，“給我一張學生證！”

由于學生證已經被10号拿走，管理人員隻能說，“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别人搶先了一步，剛想爆粗口，想到了這個學校的名言，“這個世界是不公平的”，于是又乖乖走向了學生證等待區，繼續排隊。

等10号操作完出來了，還了學生證，小王又被領證處管理者喊話，“學生證有啦，排隊的人過來取吧！”。

小王走出排隊區，而此時操作台終于顯示了小王的号碼5号。小王這次順利領取了學生證，進入了超市，坐在了操作台上，登入了自己的系統。

小王想買蘋果，于是點選了蘋果商品的按鈕，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：

1. 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，可能導緻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。

2. 是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檢視蘋果數量，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。

3. 于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，那這個等待區裡會發一個信号，這時超市才有可能是有蘋果的，這時我從等待區裡出來，等待叫号的機會。

   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，分别是：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号。

這時小孫走進了超市，給超市添置了5個蘋果，并換來了零花錢。之後他立刻通知蘋果沒了等待區，給了個信号“超市有蘋果啦！”，但此時小孫還沒有走出超市呢。

小王在等待區裡收到信号，立刻走出了等待區，等待被叫号，以完成自己吃蘋果的任務。但很不幸，在小王得到叫号機會之前，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，而是重新查詢了一變蘋果數量，發現蘋果數量為0，于是重複之前的步驟，小王再次回到了蘋果沒了等待區。

接下來的時間裡，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”的信号，領證區此時有學生證，并且在操作台上查詢出的蘋果數量不為0。

終于有一次。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，突然出現了别人的号碼。

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

之後又輪到小王操作，但小王并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，于是興奮地點下了購買按鈕！

于是，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，于是機器炸了，整個學校夷為平地。

數年後，學校慢慢被重建立立了起來，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，有時超市隻有一個人，有時超市會有三個人，分别是學生、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虛拟機），裡面有好多好多人（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），裡面有個倉庫放着蘋果、西瓜、橘子（臨界區裡的受保護資源）。

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，就是學生隻能去吃或者送蘋果，老師則隻能西瓜，宿管阿姨隻能橘子。

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）。

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

如果證件暫時被别人取走了拿不到（擷取鎖失敗），則需要到後方的等待區（同步隊列SychronizedQueue）裡面排隊等證。那這個等待區也有三個，分别是學生證等待區，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）。

進入超市裡面就更加奇葩了，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，同一時刻隻能有一個人進行操作。

這個操作台為了防止有人霸占操作台過長時間，隻允許一個人持續操作10s鐘（CPU時間片），10s之後會在螢幕上顯示一個ID，隻有這個ID的人才能來操作（線程切換）

至于選擇什麼号碼，老師學生或是宿管阿姨都無法決定和幹預，隻能任憑這個操作台來決策（作業系統決定線程的切換和時間的配置設定）。但好在，每個人在操作台上都有自己的賬号（線程的工作記憶體），操作一半被中斷的資料并不會丢失。

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（線程狀态NEW），人進入學校（線程狀态RUNNABLE）。

某一時刻，操作台上顯示了一個号碼2号，這個号碼通過各種學校大螢幕通知給所有的人。于是ID為2号的學生小明看到了自己的号碼，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），于是出發前往超市。

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！”（擷取鎖）。管理人員找了找發現有一張學生證，于是便給了小明。

小明拿到了學生證，順利進入超市（擷取鎖成功，進入臨界區），并坐上了操作台前，登入了自己的賬号系統（準備好工作記憶體，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，于是他點選了蘋果商品的圖示，系統顯示蘋果還有4個。于是小明順利地拿走了蘋果，系統将蘋果數量-1，将新的蘋果數量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），将學生證交還給了領證處（釋放鎖），走出了校園（線程狀态TERMINAL），消失在外面的人海中。

小張和小明做着完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點選完了蘋果商品的圖示，系統就顯示了下一個人的号碼5号。此時小張隻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号的學生小王接到通知，興沖沖地前往超市，并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，隻能告訴小王，“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！”（擷取鎖失敗）。小王沒辦法，隻能乖乖去排隊了（線程狀态BLOCKING）。

這是操作台再次顯示了3号，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），并不需要重新進入，于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）。

由于學生證已經被10号拿走，管理人員隻能說，“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别人搶先了一步，剛想爆粗口，想到了這個學校的名言，“這個世界是不公平的”，于是又乖乖走向了學生證等待區，繼續排隊。（非公平鎖，并不是誰等的時間最長誰就擷取鎖）

等10号操作完出來了，還了學生證，小王又被領證處管理者喊話，“學生證有啦，排隊的人過來取吧！”

1. 但繼續呆在超市裡，可能導緻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代碼塊裡循環等待）
2. 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）
3. 于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，那這個等待區裡會發一個信号（notify），這時超市才有可能是有蘋果的，這時我從等待區裡出來，等待叫号的機會。
4. 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，分别是：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号（同步信号-喚醒）。

這時小孫走進了超市，給超市添置了5個蘋果，并換來了零花錢。之後他立刻通知蘋果沒了等待區，給了個信号“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，而是重新查詢了一變蘋果數量（wait一般配合while條件），發現蘋果數量為0，于是重複之前的步驟，小王再次回到了蘋果沒了等待區。

接下來的時間裡，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”的信号，領證區此時有學生證，并且在操作台上查詢出的蘋果數量不為0。

之後又輪到小王操作，但小王并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），于是興奮地點下了購買按鈕！

于是，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，于是機器炸了，小王犧牲（抛出運作時異常，線程釋放鎖并終止）。

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，有時超市隻有一個人（不同線程進入鎖對象相同的臨界區會互斥，隻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），分别是學生、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，雖然不能解釋全部并發程式設計的内容，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

希望大家也能積極讨論下故事中的錯誤和不完善的地方，一起将故事講的更好。下面整理一下故事中出現的東西和寓意。