一個故事搞懂Java併發編程

　　最近在給別人講解Java併發編程面試考點時，爲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彷佛能講解Java併發編程中好多核心概念，因而完善起來造成了了這篇文章。你們先忘記併發編程，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，咱們簡單分紅學生、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，一方面能夠拿走水果吃掉，另外一方面也能夠送來水果還錢。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，老師則只能西瓜，宿管阿姨只能橘子。

　　這個超市的進出也頗有規矩，來這個超市的人，必須持有相應的證件，學生則須要持有學生證，老師須要持有教師證，宿管阿姨須要持有阿姨證。這三個證每一個都分別只有一個，保管在超市門口的一個領證處，人們進入這個超市以前，必須先去取證處那裏領取相應的證件才能進入。若是證件暫時被別人取走了拿不到，則須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，不管是要從這個超市拿走水果，仍是要送來水果，都須要經過一個操做臺來控制，而這個操做臺，同一時刻只能有一我的進行操做。這個操做臺爲了防止有人霸佔操做臺過長時間，只容許一我的持續操做10s鍾，10s以後會在屏幕上顯示一個ID，只有這個ID的人才能來操做，至於選擇什麼號碼，老師學生或是宿管阿姨都沒法決定和干預，只能任憑這個操做臺來決策。但好在，每一個人在操做臺上都有本身的帳號，操做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類各樣的事。

　　首先咱們假設，進這所學校的人，都是爲了去超市作事情。某一時刻，操做臺上顯示了一個號碼2號，這個號碼經過各類學校大屏幕通知給全部的人。因而ID爲2號的學生小明看到了本身的號碼，得知本身得到了進入超市操做控制檯的權利，因而出發前往超市。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，因而便給了小明。小明拿到了學生證，順利進入超市，並坐上了操做臺前，登陸了本身的帳號系統。小明此行的目的是爲了拿走一個蘋果，因而他點擊了蘋果商品的圖標，系統顯示蘋果還有4個。因而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。

　　接着操做臺上顯示了3號，一樣經過學校大屏幕通知給了全部人。ID爲3號的學生小張看到了本身的號碼，得知本身得到了進入超市操做控制檯的權利，因而出發前往超市。小張和小明作着徹底相同的操做，但小張操做太慢了，剛剛點擊完了蘋果商品的圖標，系統就顯示了下一我的的號碼5號。此時小明只能被迫終止本身的操做，讓出操做臺的權利。ID爲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排隊吧！」。小王沒辦法，只能乖乖去排隊了。

　　這是操做臺再次顯示了2號，也就是剛剛操做到一半的小明。小明此時還在超市裏，並不須要從新進入，因而小明趕忙到操做臺前繼續着剛剛的操做，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，從排隊的隊列裏出來，準備領證並進入超市。但此時操做臺上顯示的號是另外一個學生10號，10號學生拿走了學生證，進入超市開始操做。操做到一半，操做臺時間限制又到了，顯示了小王的ID5號。小王剛從等待領證的隊列裏出來，終於得到了進行下一步行動的准許，因而走向了領證處，「給我一張學生證！」，因爲學生證已經被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竟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」，因而又乖乖走向了學生證等待區，繼續排隊。

　　等10號操做完出來了，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，而此時操做臺終於顯示了小王的號碼5號。小王此次順利領取了學生證，進入了超市，坐在了操做臺上，登陸了本身的系統。小王想買蘋果，因而點擊了蘋果商品的按鈕，但系統顯示蘋果數量爲0！小王此時想了想，有了個接下來的計劃：

1. 繼續呆在超市裏，得空就去操做臺上查詢一下蘋果的數量，直到有蘋果爲止。但繼續呆在超市裏，可能致使想向超市送蘋果的學生拿不到學生證，而本身也就永遠沒法獲得蘋果了，顯然不妥。
2. 因此小王的另外一個想法是，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，直到有蘋果爲止。這樣雖然有機會獲得蘋果，但太累了，假如這期間根本沒人往超市送蘋果，那這一趟趟實際上是白費事的。
3. 因而小王想出了一個聰明的方案，我能夠走出超市，到一個地方等待，在這裏不會收到操做臺的通知。若是有人向超市送蘋果了，那這個等待區裏會發一個信號，這時超市纔有多是有蘋果的，這時我從等待區裏出來，等待叫號的機會。雖然蘋果有可能被其餘吃蘋果的學生搶沒，但這樣起碼不會浪費太多時間。

　　剛恰好超市旁邊爲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，等待着有人往裏送蘋果的信號。

　　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。以後他馬上通知蘋果沒了等待區，給了個信號「超市有蘋果啦！」，但此時小孫尚未走出超市呢。小王在等待區裏收到信號，馬上走出了等待區，等待被叫號，以完成本身吃蘋果的任務。但很不幸，在小王獲得叫號機會以前，蘋果又被其餘幾個學生搶光了，這時才輪到小王。小王也很聰明，他考慮到了這種狀況，沒有直接取蘋果，而是從新查詢了一變蘋果數量，發現蘋果數量爲0，因而重複以前的步驟，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，小王發現爲了吃一個蘋果太難了，必須同時知足，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，而且在操做臺上查詢出的蘋果數量不爲0。終於有一次。小王成功知足了這三個條件，在操做臺上看到蘋果的數量爲1！小王正激動地準備按下購買按鈕，可此時操做臺一閃，忽然出現了別人的號碼。這我的是超市管理員，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。以後又輪到小王操做，但小王並不知道以前發生的一切，他眼中明明看到蘋果數量是1。小王爲了保險起見，又屢次查詢了蘋果數量，發現仍然是1，因而興奮地點下了購買按鈕！因而，操做臺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，因而機器炸了，整個學校夷爲平地。

　　數年後，學校慢慢被從新創建了起來，以前作操做臺的人已經被槍斃了，高薪聘請了一位高人來建造，解決了以前的那個問題。超市又順利運轉起來，有時超市只有一我的，有時超市會有三我的，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。

 

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　　這個故事包含了Java多線程的大部分核心問題，下面我把故事從新講一遍。

　　有這麼一個學校（Java虛擬機），裏面有好多好多人（線程），咱們簡單分紅學生、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（臨界區裏的受保護資源）。來這個超市的人，一方面能夠拿走水果吃掉，另外一方面也能夠送來水果還錢。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，老師則只能西瓜，宿管阿姨只能橘子。

　　這個超市的進出也頗有規矩，來這個超市的人，必須持有相應的證件（鎖對象），學生則須要持有學生證，老師須要持有教師證，宿管阿姨須要持有阿姨證（不一樣的鎖對象）。這三個證每一個都分別只有一個，保管在超市門口的一個領證處（獲取鎖的地方--能夠說是堆吧），人們進入這個超市以前，必須先去取證處那裏領取相應的證件（獲取鎖）才能進入。若是證件暫時被別人取走了拿不到（獲取鎖失敗），則須要到後方的等待區（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（每一個鎖對象對應一個同步隊列）。

　　進入超市裏面就更加奇葩了，不管是要從這個超市拿走水果，仍是要送來水果，都須要經過一個操做臺（單核CPU）來控制，而這個操做臺，同一時刻只能有一我的進行操做。這個操做臺爲了防止有人霸佔操做臺過長時間，只容許一我的持續操做10s鍾（CPU時間片），10s以後會在屏幕上顯示一個ID，只有這個ID的人才能來操做（線程切換）。至於選擇什麼號碼，老師學生或是宿管阿姨都沒法決定和干預，只能任憑這個操做臺來決策（操做系統決定線程的切換和時間的分配）。但好在，每一個人在操做臺上都有本身的帳號（線程的工做內存），操做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類各樣的事。

　　首先咱們假設，進這所學校的人，都是爲了去超市作事情。首先人出如今學校外（線程狀態NEW），人進入學校（線程狀態RUNNABLE）。某一時刻，操做臺上顯示了一個號碼2號，這個號碼經過各類學校大屏幕通知給全部的人。因而ID爲2號的學生小明看到了本身的號碼，得知本身得到了進入超市操做控制檯的權利（得到CPU執行權），因而出發前往超市。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，因而便給了小明。小明拿到了學生證，順利進入超市（獲取鎖成功，進入臨界區），並坐上了操做臺前，登陸了本身的帳號系統（準備好工做內存，開始執行臨界區代碼）。小明此行的目的是爲了拿走一個蘋果，因而他點擊了蘋果商品的圖標，系統顯示蘋果還有4個。因而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。

　　接着操做臺上顯示了3號，一樣經過學校大屏幕通知給了全部人。ID爲3號的學生小張看到了本身的號碼，得知本身得到了進入超市操做控制檯的權利，因而出發前往超市。小張和小明作着徹底相同的操做，但小張操做太慢了，剛剛點擊完了蘋果商品的圖標，系統就顯示了下一我的的號碼5號。此時小明只能被迫終止本身的操做，讓出操做臺的權利（線程切換）。ID爲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）。

　　這是操做臺再次顯示了2號，也就是剛剛操做到一半的小明。小明此時還在超市裏（不釋放鎖），並不須要從新進入，因而小明趕忙到操做臺前繼續着剛剛的操做（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，從排隊的隊列裏出來，準備領證並進入超市。但此時操做臺上顯示的號是另外一個學生10號，10號學生拿走了學生證，進入超市開始操做。操做到一半，操做臺時間限制又到了，顯示了小王的ID5號。小王剛從等待領證的隊列裏出來，終於得到了進行下一步行動的准許，因而走向了領證處，「給我一張學生證！」，因爲學生證已經被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竟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」，因而又乖乖走向了學生證等待區，繼續排隊。（非公平鎖，並非誰等的時間最長誰就獲取鎖）

　　等10號操做完出來了，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，而此時操做臺終於顯示了小王的號碼5號。小王此次順利領取了學生證，進入了超市，坐在了操做臺上，登陸了本身的系統。小王想買蘋果，因而點擊了蘋果商品的按鈕，但系統顯示蘋果數量爲0！小王此時想了想，有了個接下來的計劃：

1. 繼續呆在超市裏，得空就去操做臺上查詢一下蘋果的數量，直到有蘋果爲止。但繼續呆在超市裏，可能致使想向超市送蘋果的學生拿不到學生證，而本身也就永遠沒法獲得蘋果了，顯然不妥。（sychronized代碼塊裏循環等待）
2. 因此小王的另外一個想法是，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，直到有蘋果爲止。這樣雖然有機會獲得蘋果，但太累了，假如這期間根本沒人往超市送蘋果，那這一趟趟實際上是白費事的。（sychronized代碼塊外循環等待）
3. 因而小王想出了一個聰明的方案，我能夠走出超市，到一個地方等待（wait），在這裏不會收到操做臺的通知。若是有人向超市送蘋果了，那這個等待區裏會發一個信號（notify），這時超市纔有多是有蘋果的，這時我從等待區裏出來，等待叫號的機會。雖然蘋果有可能被其餘吃蘋果的學生搶沒，但這樣起碼不會浪費太多時間。（等待通知機制）

　　剛恰好超市旁邊爲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），等待着有人往裏送蘋果的信號（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。以後他馬上通知蘋果沒了等待區，給了個信號「超市有蘋果啦！（AppleNotEmpty.notifyAll）」，但此時小孫尚未走出超市呢（notify不釋放鎖）。小王在等待區裏收到信號，馬上走出了等待區，等待被叫號，以完成本身吃蘋果的任務。但很不幸，在小王獲得叫號機會以前，蘋果又被其餘幾個學生搶光了，這時才輪到小王。小王也很聰明，他考慮到了這種狀況，沒有直接取蘋果，而是從新查詢了一變蘋果數量（wait通常配合while條件），發現蘋果數量爲0，因而重複以前的步驟，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，小王發現爲了吃一個蘋果太難了，必須同時知足，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，而且在操做臺上查詢出的蘋果數量不爲0。終於有一次。小王成功知足了這三個條件，在操做臺上看到蘋果的數量爲1！小王正激動地準備按下購買按鈕，可此時操做臺一閃，忽然出現了別人的號碼。這我的是超市管理員，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。以後又輪到小王操做，但小王並不知道以前發生的一切，他眼中明明看到蘋果數量是1。小王爲了保險起見，又屢次查詢了蘋果數量，發現仍然是1（非volatile修飾的變量不保證線程之間的可見性），因而興奮地點下了購買按鈕！因而，操做臺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，因而機器炸了，小王犧牲（拋出運行時異常，線程釋放鎖並終止）。

　　數年後，以前作操做臺的人已經被槍斃了，學校又高薪聘請了一位高人來建造，解決了以前的那個問題（volatile）。超市又順利運轉起來，有時超市只有一我的（不一樣線程進入鎖對象相同的臨界區會互斥，只有一個線程能夠進入），有時超市會有三我的（不一樣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，雖然不能解釋所有併發編程的內容，也不能到處都很恰當地說明細節，但確是一個頗有趣的思考過程，但願你們也能積極討論下故事中的錯誤和不完善的地方，一塊兒將故事講的更好。下面整理一下故事中出現的東西和寓意。

東西	寓意
人	線程
通行證	鎖對象
水果超市	臨界區代碼
水果	受保護資源
操做臺	CPU
叫號	時間片分配
領證處	獲取鎖
等待區	等待隊列
領證排隊區	同步隊列
水果儲藏區	主內存
每一個人的帳號系統	工做內存