最近在給別人講解Java併發程式設計面試考點時，為了解釋鎖物件這個概念，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併發程式設計中好多核心概念，於是完善起來形成了了這篇文章。大家先忘記併發程式設計，只聽我給你講個故事。

　　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裡面排隊等證。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檯來控制，而這個操作檯，同一時刻只能有一個人進行操作。這個操作檯為了防止有人霸佔操作檯過長時間，只允許一個人持續操作10s鍾，10s之後會在螢幕上顯示一個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，只能任憑這個操作檯來決策。但好在，每個人在操作檯上都有自己的賬號，操作一半被中斷的資料並不會丟失。

　　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，操作檯上顯示了一個號碼2號，這個號碼通過各種學校大螢幕通知給所有的人。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檯的權利，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，並坐上了操作檯前，登入了自己的賬號系統。小明此行的目的是為了拿走一個蘋果，於是他點選了蘋果商品的圖示，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。接著小明走出超市，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。

　　接著操作檯上顯示了3號，同樣通過學校大螢幕通知給了所有人。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檯的權利，於是出發前往超市。小張和小明做著完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點選完了蘋果商品的圖示，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，讓出操作檯的權利。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。

　　這是操作檯再次顯示了2號，也就是剛剛操作到一半的小明。小明此時還在超市裡，並不需要重新進入，於是小明趕緊到操作檯前繼續著剛剛的操作，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，對著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，從排隊的佇列裡出來，準備領證並進入超市。但此時操作檯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，操作檯時間限制又到了，顯示了小王的ID5號。小王剛從等待領證的佇列裡出來，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，而此時操作檯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，坐在了操作檯上，登入了自己的系統。小王想買蘋果，於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，得空就去操作檯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。
2. 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. 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檯的通知。如果有人向超市送蘋果了，那這個等待區裡會發一個訊號，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，等待著有人往裡送蘋果的訊號。

　　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，給了個訊號“超市有蘋果啦！”，但此時小孫還沒有走出超市呢。小王在等待區裡收到訊號，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，而是重新查詢了一變蘋果數量，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”的訊號，領證區此時有學生證，並且在操作檯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，在操作檯上看到蘋果的數量為1！小王正激動地準備按下購買按鈕，可此時操作檯一閃，突然出現了別人的號碼。這個人是超市管理員，拿著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，操作檯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，之前做操作檯的人已經被槍斃了，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。

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　　這個故事包含了Java多執行緒的大部分核心問題，下面我把故事重新講一遍。

　　有這麼一個學校（Java虛擬機器），裡面有好多好多人（執行緒），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），裡面有個倉庫放著蘋果、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。

　　這個超市的進出也很有規矩，來這個超市的人，必須持有相應的證件（鎖物件），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（不同的鎖物件）。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（同步佇列SychronizedQueue）裡面排隊等證。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（每個鎖物件對應一個同步佇列）。

　　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檯（單核CPU）來控制，而這個操作檯，同一時刻只能有一個人進行操作。這個操作檯為了防止有人霸佔操作檯過長時間，只允許一個人持續操作10s鍾（CPU時間片），10s之後會在螢幕上顯示一個ID，只有這個ID的人才能來操作（執行緒切換）。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，只能任憑這個操作檯來決策（作業系統決定執行緒的切換和時間的分配）。但好在，每個人在操作檯上都有自己的賬號（執行緒的工作記憶體），操作一半被中斷的資料並不會丟失。

　　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（執行緒狀態NEW），人進入學校（執行緒狀態RUNNABLE）。某一時刻，操作檯上顯示了一個號碼2號，這個號碼通過各種學校大螢幕通知給所有的人。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檯的權利（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），並坐上了操作檯前，登入了自己的賬號系統（準備好工作記憶體，開始執行臨界區程式碼）。小明此行的目的是為了拿走一個蘋果，於是他點選了蘋果商品的圖示，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（程式碼）。接著小明走出超市（程式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（執行緒狀態TERMINAL），消失在外面的人海中。

　　接著操作檯上顯示了3號，同樣通過學校大螢幕通知給了所有人。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檯的權利，於是出發前往超市。小張和小明做著完全相同的操作，但小張操作太慢了，剛剛點選完了蘋果商品的圖示，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，讓出操作檯的權利（執行緒切換）。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（同步佇列WaitQueue）排隊吧！”（獲取鎖失敗）。小王沒辦法，只能乖乖去排隊了（執行緒狀態BLOCKING）。

　　這是操作檯再次顯示了2號，也就是剛剛操作到一半的小明。小明此時還在超市裡（不釋放鎖），並不需要重新進入，於是小明趕緊到操作檯前繼續著剛剛的操作（執行緒切換，繼續執行中斷的程式碼），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，對著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，從排隊的佇列裡出來，準備領證並進入超市。但此時操作檯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，操作檯時間限制又到了，顯示了小王的ID5號。小王剛從等待領證的佇列裡出來，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，而此時操作檯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，坐在了操作檯上，登入了自己的系統。小王想買蘋果，於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，得空就去操作檯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程式碼塊裡迴圈等待）
2. 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。（sychronized程式碼塊外迴圈等待）
3. 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檯的通知。如果有人向超市送蘋果了，那這個等待區裡會發一個訊號（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（等待佇列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（條件變數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），等待著有人往裡送蘋果的訊號（同步訊號-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，給了個訊號“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）。小王在等待區裡收到訊號，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，而是重新查詢了一變蘋果數量（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”的訊號，領證區此時有學生證，並且在操作檯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，在操作檯上看到蘋果的數量為1！小王正激動地準備按下購買按鈕，可此時操作檯一閃，突然出現了別人的號碼。這個人是超市管理員，拿著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修飾的變數不保證執行緒之間的可見性），於是興奮地點下了購買按鈕！於是，操作檯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（丟擲執行時異常，執行緒釋放鎖並終止）。

　　數年後，之前做操作檯的人已經被槍斃了，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（不同執行緒進入鎖物件相同的臨界區會互斥，只有一個執行緒可以進入），有時超市會有三個人（不同鎖物件的臨界區不互斥），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，雖然不能解釋全部併發程式設計的內容，也不能處處都很恰當地說明細節，但確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。

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