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最近在給別人講解 Java 并發(fā)編程面試考點(diǎn)時，為了解釋鎖對象這個概念，想了一個形象的故事。
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圖片來自 Pexels
后來慢慢發(fā)現(xiàn)這個故事似乎能講解 Java 并發(fā)編程中好多核心概念，于是完善起來形成了這篇文章。
大家先忘記并發(fā)編程，只聽我給你講個故事：
故事可能比較奇怪，有這么一個學(xué)校，里面有好多好多人，我們簡單分成學(xué)生、老師、以及宿管阿姨。
學(xué)校中間還有一個很奇葩的水果超市，里面有個倉庫放著蘋果、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(guī)則，就是學(xué)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(jìn)出也很有規(guī)矩，來這個超市的人，必須持有相應(yīng)的證件，學(xué)生則需要持有學(xué)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(lǐng)證處，人們進(jìn)入這個超市之前，必須先去取證處那里領(lǐng)取相應(yīng)的證件才能進(jìn)入。
如果證件暫時被別人取走了拿不到，則需要到后方的等待區(qū)里面排隊(duì)等證。那這個等待區(qū)也有三個，分別是學(xué)生證等待區(qū)，教師證等待區(qū)，阿姨證等待區(qū)。
進(jìn)入超市里面就更加奇葩了，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臺來控制，而這個操作臺，同一時刻只能有一個人進(jìn)行操作。
這個操作臺為了防止有人霸占操作臺過長時間，只允許一個人持續(xù)操作 10s，10s 之后會在屏幕上顯示一個 ID，只有這個 ID 的人才能來操作。
至于選擇什么號碼，老師學(xué)生或是宿管阿姨都無法決定和干預(yù)，只能任憑這個操作臺來決策。
但好在，每個人在操作臺上都有自己的賬號，操作一半被中斷的數(shù)據(jù)并不會丟失。
這個故事的背景就介紹完了，下面這個學(xué)校就發(fā)生了各種各樣的事。
首先我們假設(shè)，進(jìn)這所學(xué)校的人，都是為了去超市做事情。某一時刻，操作臺上顯示了一個號碼 2 號，這個號碼通過各種學(xué)校大屏幕通知給所有的人。
于是 ID 為 2 號的學(xué)生小明看到了自己的號碼，得知自己獲得了進(jìn)入超市操作控制臺的權(quán)利，于是出發(fā)前往超市。
小明首先到超市門口，問領(lǐng)證處的管理人員，“給我一張學(xué)生證!”。
管理人員找了找發(fā)現(xiàn)有一張學(xué)生證，于是便給了小明。小明拿到了學(xué)生證，順利進(jìn)入超市，并坐在了操作臺前，登錄了自己的賬號系統(tǒng)。
小明此行的目的是為了拿走一個蘋果，于是他點(diǎn)擊了蘋果商品的圖標(biāo)，系統(tǒng)顯示蘋果還有 4 個。
于是小明順利地拿走了蘋果，系統(tǒng)將蘋果數(shù)量 -1，將新的蘋果數(shù)量 3 記錄到總系統(tǒng)庫中。
接著小明走出超市，將學(xué)生證交還給了領(lǐng)證處，走出了校園，消失在外面的人海中。
接著操作臺上顯示了3號，同樣通過學(xué)校大屏幕通知給了所有人。ID 為 3 號的學(xué)生小張看到了自己的號碼，得知自己獲得了進(jìn)入超市操作控制臺的權(quán)利，于是出發(fā)前往超市。
小張和小明做著完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點(diǎn)擊完了蘋果商品的圖標(biāo)，系統(tǒng)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，讓出操作臺的權(quán)利。
ID 為 5 號的學(xué)生小王接到通知，興沖沖地前往超市，并在領(lǐng)證處問管理人員，“給我一張學(xué)生證!”
管理人員找了找，發(fā)現(xiàn)學(xué)生證已經(jīng)被小張取走了，只能告訴小王，“抱歉，學(xué)生證暫時沒有，請到后面的學(xué)生證等待區(qū)排隊(duì)吧!”。小王沒辦法，只能乖乖去排隊(duì)了。
這時操作臺再次顯示了 3 號，也就是剛剛操作到一半的小張。小張此時還在超市里，并不需要重新進(jìn)入，于是小張趕緊到操作臺前繼續(xù)著剛剛的操作，取走了一個蘋果，離開了超市，交還了學(xué)生證。
此時領(lǐng)證處的管理人員收到了學(xué)生證，對著后面的學(xué)生證排隊(duì)區(qū)喊，“學(xué)生證有啦，排隊(duì)的人過來取吧!”
正在排隊(duì)等證的 5 號小王聽到后，從排隊(duì)的隊(duì)列里出來，準(zhǔn)備領(lǐng)證并進(jìn)入超市。但此時操作臺上顯示的號是另一個學(xué)生 10 號，10 號學(xué)生拿走了學(xué)生證，進(jìn)入超市開始操作。
操作到一半，操作臺時間限制又到了，顯示了小王的 ID 5 號。小王剛從等待領(lǐng)證的隊(duì)列里出來，終于獲得了進(jìn)行下一步行動的準(zhǔn)許，于是走向了領(lǐng)證處，“給我一張學(xué)生證!”
由于學(xué)生證已經(jīng)被 10 號拿走，管理人員只能說，“抱歉，學(xué)生證暫時沒有，請到后面的學(xué)生證等待區(qū)排隊(duì)吧!”。
小王一看等了那么久居然又被別人搶先了一步，剛想爆粗口，想到了這個學(xué)校的名言，“這個世界是不公平的”，于是又乖乖走向了學(xué)生證等待區(qū)，繼續(xù)排隊(duì)。
等 10 號操作完出來了，還了學(xué)生證，小王又被領(lǐng)證處管理員喊話，“學(xué)生證有啦，排隊(duì)的人過來取吧!”。
小王走出排隊(duì)區(qū)，而此時操作臺終于顯示了小王的號碼 5 號。小王這次順利領(lǐng)取了學(xué)生證，進(jìn)入了超市，坐在了操作臺上，登錄了自己的系統(tǒng)。
小王想買蘋果，于是點(diǎn)擊了蘋果商品的按鈕，但系統(tǒng)顯示蘋果數(shù)量為 0!
小王此時想了想，有了個接下來的計(jì)劃：
- 繼續(xù)呆在超市里，得空就去操作臺上查詢一下蘋果的數(shù)量，直到有蘋果為止。
但繼續(xù)呆在超市里，可能導(dǎo)致想向超市送蘋果的學(xué)生拿不到學(xué)生證，而自己也就永遠(yuǎn)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(xué)生證，等下次有機(jī)會再進(jìn)入超市查看蘋果數(shù)量，直到有蘋果為止。
這樣雖然有機(jī)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(shí)是白費(fèi)事的。
- 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，在這里不會收到操作臺的通知。
但如果有人向超市送蘋果了，那這個等待區(qū)里會發(fā)一個信號，這時超市才有可能是有蘋果的，這時我從等待區(qū)里出來，等待叫號的機(jī)會。雖然蘋果有可能被其他吃蘋果的學(xué)生搶沒，但這樣起碼不會浪費(fèi)太多時間。
剛剛好超市旁邊為每一種水果準(zhǔn)備了好多等待區(qū)，一共有六個，分別是：蘋果沒了等待區(qū)，西瓜沒了等待區(qū)，橘子沒了等待區(qū)。蘋果滿了等待區(qū)，西瓜滿了等待區(qū)，橘子滿了等待區(qū)。
小王很聰明，去了蘋果沒了等待區(qū)，等待著有人往里送蘋果的信號。這時小孫走進(jìn)了超市，給超市添置了 5 個蘋果，并換來了零花錢。
之后他立刻通知蘋果沒了等待區(qū)，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(qū)里收到信號，立刻走出了等待區(qū)，等待被叫號，以完成自己吃蘋果的任務(wù)。
但很不幸，在小王得到叫號機(jī)會之前，蘋果又被其他幾個學(xué)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(shù)量，發(fā)現(xiàn)蘋果數(shù)量為 0，于是重復(fù)之前的步驟，小王再次回到了蘋果沒了等待區(qū)。
接下來的時間里，小王不斷在蘋果沒了等待區(qū)和學(xué)生證等待區(qū)移動，小王發(fā)現(xiàn)為了吃一個蘋果太難了，必須同時滿足：蘋果沒了等待區(qū)發(fā)來了“超市有蘋果了”的信號，領(lǐng)證區(qū)此時有學(xué)生證，并且在操作臺上查詢出的蘋果數(shù)量不為 0。
終于有一次，小王成功滿足了這三個條件，在操作臺上看到蘋果的數(shù)量為 1!小王正激動地準(zhǔn)備按下購買按鈕，可此時操作臺一閃，突然出現(xiàn)了別人的號碼。
這個人是超市管理員，拿著一張?zhí)厥獾某泄芾韱T證順利進(jìn)入了超市，將蘋果拿走，此時蘋果數(shù)量又變成了 0。
之后又輪到小王操作，但小王并不知道之前發(fā)生的一切，他眼中明明看到蘋果數(shù)量是 1。
小王為了保險起見，又多次查詢了蘋果數(shù)量，發(fā)現(xiàn)仍然是 1，于是興奮地點(diǎn)下了購買按鈕!
于是，操作臺對根本沒有蘋果的儲藏區(qū)發(fā)出了取蘋果的指令，該系統(tǒng)根本沒有想到會有這種事情發(fā)生，于是機(jī)器炸了，整個學(xué)校夷為平地。
數(shù)年后，學(xué)校慢慢被重新建立了起來，之前做操作臺的人已經(jīng)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(yùn)轉(zhuǎn)起來，有時超市只有一個人，有時超市會有三個人，分別是學(xué)生、老師、宿管阿姨，他們仨人互不影響，相安無事。學(xué)校的生活再次豐富了起來。
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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。
有這么一個學(xué)校(Java 虛擬機(jī))，里面有好多好多人(線程)，我們簡單分成學(xué)生、老師、以及宿管阿姨。
學(xué)校中間還有一個很奇葩的水果超市(臨界區(qū))，里面有個倉庫放著蘋果、西瓜、橘子(臨界區(qū)里的受保護(hù)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(guī)則，就是學(xué)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(jìn)出也很有規(guī)矩，來這個超市的人，必須持有相應(yīng)的證件(鎖對象)，學(xué)生則需要持有學(xué)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(lǐng)證處(獲取鎖的地方，可以說是堆吧)，人們進(jìn)入這個超市之前，必須先去取證處那里領(lǐng)取相應(yīng)的證件(獲取鎖)才能進(jìn)入。
如果證件暫時被別人取走了拿不到(獲取鎖失敗)，則需要到后方的等待區(qū)(同步隊(duì)列 SychronizedQueue)里面排隊(duì)等證。
那這個等待區(qū)也有三個，分別是學(xué)生證等待區(qū)，教師證等待區(qū)，阿姨證等待區(qū)(每個鎖對象對應(yīng)一個同步隊(duì)列)。
進(jìn)入超市里面就更加奇葩了，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臺(單核 CPU)來控制，而這個操作臺，同一時刻只能有一個人進(jìn)行操作。
這個操作臺為了防止有人霸占操作臺過長時間，只允許一個人持續(xù)操作 10s(CPU 時間片)，10s 之后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)。
至于選擇什么號碼，老師學(xué)生或是宿管阿姨都無法決定和干預(yù)，只能任憑這個操作臺來決策(操作系統(tǒng)決定線程的切換和時間的分配)。
但好在，每個人在操作臺上都有自己的賬號(線程的工作內(nèi)存)，操作一半被中斷的數(shù)據(jù)并不會丟失。
這個故事的背景就介紹完了，下面這個學(xué)校就發(fā)生了各種各樣的事。
首先我們假設(shè)，進(jìn)這所學(xué)校的人，都是為了去超市做事情。首先人出現(xiàn)在學(xué)校外(線程狀態(tài) NEW)，人進(jìn)入學(xué)校(線程狀態(tài) RUNNABLE)。
某一時刻，操作臺上顯示了一個號碼 2 號，這個號碼通過各種學(xué)校大屏幕通知給所有的人。
于是 ID 為 2 號的學(xué)生小明看到了自己的號碼，得知自己獲得了進(jìn)入超市操作控制臺的權(quán)利(獲得 CPU 執(zhí)行權(quán))，于是出發(fā)前往超市。
小明首先到超市門口，問領(lǐng)證處的管理人員，“給我一張學(xué)生證!”(獲取鎖)。管理人員找了找發(fā)現(xiàn)有一張學(xué)生證，于是便給了小明。
小明拿到了學(xué)生證，順利進(jìn)入超市(獲取鎖成功，進(jìn)入臨界區(qū))，并坐上了操作臺前，登錄了自己的賬號系統(tǒng)(準(zhǔn)備好工作內(nèi)存，開始執(zhí)行臨界區(qū)代碼)。
小明此行的目的是為了拿走一個蘋果，于是他點(diǎn)擊了蘋果商品的圖標(biāo)，系統(tǒng)顯示蘋果還有 4 個。
于是小明順利地拿走了蘋果，系統(tǒng)將蘋果數(shù)量 -1，將新的蘋果數(shù)量 3 記錄到總系統(tǒng)庫中(代碼)。
接著小明走出超市(代碼執(zhí)行完畢出臨界區(qū))，將學(xué)生證交還給了領(lǐng)證處(釋放鎖)，走出了校園(線程狀態(tài) TERMINAL)，消失在外面的人海中。
接著操作臺上顯示了 3 號，同樣通過學(xué)校大屏幕通知給了所有人。ID 為 3 號的學(xué)生小張看到了自己的號碼，得知自己獲得了進(jìn)入超市操作控制臺的權(quán)利，于是出發(fā)前往超市。
小張和小明做著完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點(diǎn)擊完了蘋果商品的圖標(biāo)，系統(tǒng)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，讓出操作臺的權(quán)利(線程切換)。
ID 為 5 號的學(xué)生小王接到通知，興沖沖地前往超市，并在領(lǐng)證處問管理人員，“給我一張學(xué)生證!”。
管理人員找了找，發(fā)現(xiàn)學(xué)生證已經(jīng)被小明取走了，只能告訴小王，“抱歉，學(xué)生證暫時沒有，請到后面的學(xué)生證等待區(qū)(同步隊(duì)列 WaitQueue)排隊(duì)吧!”(獲取鎖失敗)。
小王沒辦法，只能乖乖去排隊(duì)了(線程狀態(tài) BLOCKING)。這時操作臺再次顯示了 3 號，也就是剛剛操作到一半的小張。
小張此時還在超市里(不釋放鎖)，并不需要重新進(jìn)入，于是他趕緊到操作臺前繼續(xù)著剛剛的操作(線程切換，繼續(xù)執(zhí)行中斷的代碼)，取走了一個蘋果，離開了超市，交還了學(xué)生證(釋放鎖)。
此時領(lǐng)證處的管理人員收到了學(xué)生證，對著后面的學(xué)生證排隊(duì)區(qū)喊，“學(xué)生證有啦，排隊(duì)的人過來取吧!”(通知同步隊(duì)列出隊(duì))。
正在排隊(duì)等證的 5 號小王聽到后，從排隊(duì)的隊(duì)列里出來，準(zhǔn)備領(lǐng)證并進(jìn)入超市。但此時操作臺上顯示的號是另一個學(xué)生 10 號，10 號學(xué)生拿走了學(xué)生證，進(jìn)入超市開始操作。
操作到一半，操作臺時間限制又到了，顯示了小王的 ID 5 號。小王剛從等待領(lǐng)證的隊(duì)列里出來，終于獲得了進(jìn)行下一步行動的準(zhǔn)許，于是走向了領(lǐng)證處，“給我一張學(xué)生證!”。
由于學(xué)生證已經(jīng)被 10 號拿走，管理人員只能說，“抱歉，學(xué)生證暫時沒有，請到后面的學(xué)生證等待區(qū)排隊(duì)吧!”
小王一看等了那么久居然又被別人搶先了一步，剛想爆粗口，想到了這個學(xué)校的名言，“這個世界是不公平的”，于是又乖乖走向了學(xué)生證等待區(qū)，繼續(xù)排隊(duì)。(非公平鎖，并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(xué)生證，小王又被領(lǐng)證處管理員喊話，“學(xué)生證有啦，排隊(duì)的人過來取吧!”。
小王走出排隊(duì)區(qū)，而此時操作臺終于顯示了小王的號碼 5 號。小王這次順利領(lǐng)取了學(xué)生證，進(jìn)入了超市，坐在了操作臺上，登錄了自己的系統(tǒng)。
小王想買蘋果，于是點(diǎn)擊了蘋果商品的按鈕，但系統(tǒng)顯示蘋果數(shù)量為 0!
小王此時想了想，有了個接下來的計(jì)劃：
- 繼續(xù)呆在超市里，得空就去操作臺上查詢一下蘋果的數(shù)量，直到有蘋果為止。
但繼續(xù)呆在超市里，可能導(dǎo)致想向超市送蘋果的學(xué)生拿不到學(xué)生證，而自己也就永遠(yuǎn)無法得到蘋果了，顯然不妥。(Sychronized 代碼塊里循環(huán)等待)
- 所以小王的另一個想法是，走出超市，交還學(xué)生證，等下次有機(jī)會再進(jìn)入超市查看蘋果數(shù)量，直到有蘋果為止。
這樣雖然有機(jī)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(shí)是白費(fèi)事的。(Sychronized 代碼塊外循環(huán)等待)
- 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)，在這里不會收到操作臺的通知。
如果有人向超市送蘋果了，那這個等待區(qū)里會發(fā)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(qū)里出來，等待叫號的機(jī)會。
雖然蘋果有可能被其他吃蘋果的學(xué)生搶沒，但這樣起碼不會浪費(fèi)太多時間。(等待通知機(jī)制)
剛剛好超市旁邊為每一種水果準(zhǔn)備了好多等待區(qū)(等待隊(duì)列 WaitQueue)，一共有六個，分別是：蘋果沒了等待區(qū)，西瓜沒了等待區(qū)，橘子沒了等待區(qū)，蘋果滿了等待區(qū)，西瓜滿了等待區(qū)，橘子滿了等待區(qū)(條件變量 Condition)。
小王很聰明，走出超市交還學(xué)生證(Wait 會釋放鎖)，去了蘋果沒了等待區(qū)(Wait)，等待著有人往里送蘋果的信號(同步信號-喚醒)。
這時小孫走進(jìn)了超市，給超市添置了 5 個蘋果，并換來了零花錢。之后他立刻通知蘋果沒了等待區(qū)，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(qū)里收到信號，立刻走出了等待區(qū)，等待被叫號，以完成自己吃蘋果的任務(wù)。
但很不幸，在小王得到叫號機(jī)會之前，蘋果又被其他幾個學(xué)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(shù)量(Wait 一般配合 While 條件)，發(fā)現(xiàn)蘋果數(shù)量為 0，于是重復(fù)之前的步驟，小王再次回到了蘋果沒了等待區(qū)。
接下來的時間里，小王不斷在蘋果沒了等待區(qū)和學(xué)生證等待區(qū)移動，小王發(fā)現(xiàn)為了吃一個蘋果太難了，必須同時滿足，蘋果沒了等待區(qū)發(fā)來了“超市有蘋果了”的信號，領(lǐng)證區(qū)此時有學(xué)生證，并且在操作臺上查詢出的蘋果數(shù)量不為 0。
終于有一次。小王成功滿足了這三個條件，在操作臺上看到蘋果的數(shù)量為 1!小王正激動地準(zhǔn)備按下購買按鈕，可此時操作臺一閃，突然出現(xiàn)了別人的號碼。
這個人是超市管理員，拿著一張?zhí)厥獾某泄芾韱T證順利進(jìn)入了超市，將蘋果拿走，此時蘋果數(shù)量又變成了 0。
之后又輪到小王操作，但小王并不知道之前發(fā)生的一切，他眼中明明看到蘋果數(shù)量是 1。
小王為了保險起見，又多次查詢了蘋果數(shù)量，發(fā)現(xiàn)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(diǎn)下了購買按鈕!
于是，操作臺對根本沒有蘋果的儲藏區(qū)發(fā)出了取蘋果的指令，該系統(tǒng)根本沒有想到會有這種事情發(fā)生，于是機(jī)器炸了，小王犧牲(拋出運(yùn)行時異常，線程釋放鎖并終止)。
數(shù)年后，之前做操作臺的人已經(jīng)被槍斃了，學(xué)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(yùn)轉(zhuǎn)起來，有時超市只有一個人(不同線程進(jìn)入鎖對象相同的臨界區(qū)會互斥，只有一個線程可以進(jìn)入)，有時超市會有三個人(不同鎖對象的臨界區(qū)不互斥)，分別是學(xué)生、老師、宿管阿姨，他們仨人互不影響，相安無事。學(xué)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(fā)編程的內(nèi)容，也不能處處都很恰當(dāng)?shù)卣f明細(xì)節(jié)，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(xiàn)的東西和寓意：
當(dāng)前題目：忘掉Java并發(fā)，先聽完這個故事...
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