最近在给别人讲解Java并发编程面试考点的时候，为了解释锁对象的概念，想到了一个生动的故事。图片来自Pexels。后来慢慢发现，这个故事好像解释了很多Java并发编程中的核心概念，于是完善了一下，形成了这篇文章。大家先把并发编程忘掉，听我给大家讲个故事：故事可能比较奇怪，有这么一所学校，里面有很多人，我们简单的分为学生、老师、宿舍阿姨。学校中间还有一个非常棒的水果超市，里面有一个仓库，里面有苹果、西瓜、橘子。来这家超市的人，一方面可以把水果带走吃掉，另一方面可以送水果还钱。不过，超市里还有一个很奇怪的规定，就是学生只能吃或者送苹果，老师只能吃或者送西瓜，宿舍阿姨只能吃或者送橘子。这家超市的进出也很有规律。来这家超市的人必须持有相应的证件，学生需要持有学生证，老师需要持有教师证，宿舍阿姨需要持有阿姨证。这三张证件各只有一张，存放在超市门口的证件领取处。进入超市前，人们必须先到取证处领取相应证件后方可进入。如果证件临时被他人拿走无法领取，则需要在后面的等候区排队等候证件。这个等候区还有三个等候区，分别是学生证等候区，教师证等候区，阿姨证等候区。进入超市，更是陌生。无论是从这家超市取水果还是送水果，都需要通过一个操作台进行控制，而这个操作台一次只能由一个人操作。为了防止有人长时间占用控制台，只允许一个人连续操作10s。10s后，屏幕上会显示一个ID，只有拥有这个ID的人才能操作。至于选择哪个号码，无论是老师、学生还是宿舍阿姨都无法决定和干预，只能让控制台来决定。不过好在每个人在控制台都有自己的账号，操作到一半就中断的数据不会丢失。这个故事的背景讲完了，下面这所学校里发生了各种各样的事情。首先我们假设进入这个学校的人都是去超市办事的。某一刻，控制台上出现了一个数字2，这个数字通过各个学校的大屏幕通知给了所有人。于是，2号学生小明看到了自己的号码，得知自己获得了进入超市操作台的权限，便出发前往超市。小明先是走到超市门口，对领卡处的管理人员说：“给我一张学生卡！”。管理人员找了找，找到一张学生证，就给了小明。小明拿到了学生证，顺利的进入了超市，坐在操作台前，登陆了自己的账号系统。小明此行的目的是带走一个苹果，于是点击苹果产品图标，系统显示还有4个苹果。于是小明成功拿走了苹果，系统记录了苹果个数-1，并在系统总库中记录了新的苹果个数3。随后小明走出超市，将学生证还给办证处，走出校园，消失在外面的人群中。然后3号就显示在了控制台上，也通过学校的大屏幕通知了大家。3号学生小张看到自己的号码，得知自己获得了进入超市操作台的权限，便出发前往超市。小张和小明在做着一模一样的操作，只是小张的操作太慢了。刚点了一个苹果产品的图标，系统就显示下一个人的数字5。此时，小明只能被迫终止运营，放弃控制台操作权。5号学生小王接到通知，兴冲冲地来到超市，向领证处的管理人员询问：“给我一张学生证！”管理人员四处寻找，发现学生证被张某拿走了。我只能告诉小王，“对不起，我还没有学生证，请到学生证等候区后面和排队！”。小王只好乖乖排队等候。这时，操作台上再次显示出3号，正是刚刚操作到一半的小张。小张此时还在超市里，没有必要重新进入，于是小张赶紧跑到操作台继续刚才的操作，拿了一个苹果，离开了超市，将学生证还了回去。这时，取证处的管理人员接过学生证，冲着后面的学生证排队区喊道：“我有学生证，排队的人快来拿！”走出队列，准备领卡，进入超市。可此时，操作台上显示的号码却是另外一个10号学号，10号学号拿着学生证进入了超市开始营业。操作到一半，控制台的时限再次上升，显示出小王的5号身份证。小王刚从等候取卡的队列中出来，终于得到允许进行下一步，于是他走到取卡处，“给我一张学生证！”由于学生证已经被10号拿走，管理人员只能说：“对不起，学生证还没有，请到后面的学生证等候区排队！”。见等了这么久，小王竟然先人一步。刚要发誓，他想起了学校的名言“这个世界是不公平的”，于是乖乖走到学生证等候区继续排队。10号做完手术，归还学生证后，小王又被收卡处管理员喊：“我有学生证，排队的，快来拿！”。小王走出了排队区，这时控制台终于显示出小王的5号。小王这次顺利领取了学生证，进入超市，坐在操作台上，登陆了自己的系统。小王想买苹果，于是点击了苹果产品按钮，但是系统显示苹果数量为0！小王现在想了想，有了下一步的打算：继续留在超市，有空就去控制台看看网上的苹果数量，直到有苹果为止。但是如果一直呆在超市里，想给超市送苹果的同学可能拿不到学生证，永远也拿不到苹果，这显然是不合适的。于是小王的另一个想法是走出超市，归还学生证，等下次有机会进入超市查看苹果数量，直到有苹果为止。这样虽然有机会拿到苹果，但是太累了。如果这段时间没人给超市送苹果，那这趟旅行其实就是浪费时间。于是小王想出了一个妙计。我可以走出超市，在一个不会收到控制台通知的地方等待。但是如果有人给超市送苹果，等候区就会发出信号，然后超市就有可能有苹果了。这时，我从等候区出来，伺机拨通号码。虽然苹果可能会被其他吃苹果的同学抢走，但至少不会浪费太多时间。就在超市旁边，有很多各种水果的等候区。一共有六个，分别是：苹果没有等候区，西瓜没有等候区，橘子没有等候区。苹果满是等候区，西瓜满是等候区，橘子满是等候区。小王很聪明，走到苹果不见了的等候区，等着有人送苹果的信号。这时，小孙走进了超市，给超市买了5个苹果，换了零花钱。随后，他第一时间通知苹果没有等候区，并示意“超市里有苹果！”，但小孙还没有走出超市。小王在等候区收到信号，立即走出等候区，等待被叫号码完成吃苹果的任务。可惜，小王还没来得及拨通电话，苹果就被其他几个同学抢走了，轮到小王了。小王也很聪明。考虑到这种情况，他没有直接拿苹果，而是再次查看了苹果的数量，发现苹果的数量为0，于是重复了前面的步骤，小王又回到了苹果放置的等候区。走了。接下来的时间里，小王一直在苹果没了的等候区和学生证等候区之间穿梭。小王发现吃一个苹果太难了。”信号，此时取卡区有一张学生证，控制台查询到的苹果数量不为0。终于有一次，小王成功满足了这三个条件，看到控制台上的苹果是1！小王正兴冲冲的准备按购买键，但是这时候控制台一闪，突然出现了别人的苹果编号。这个人是超市管理员，他成功的进入了超市，有一个特殊的超市管理员卡拿走了苹果，这时候苹果的数量又变成了0，然后轮到小王操作了，但是小王并不知道之前发生了什么，他清楚的看到苹果的数量是1、为了保险起见，小王查看了几次苹果的数量，发现还是1个，于是兴奋的按下了购买键！没有苹果湖。会发生这种事，于是机器爆炸，整个学校被夷为平地。几年后，学校慢慢重建。做控制台的人被枪毙了，高薪请了专家来打造，解决了之前的问题。超市又恢复正常运转了。有时超市里只有一个人，有时超市里有三个人，分别是学生、老师和宿舍阿姨。三人互不影响，相安无事。学校生活再次丰富起来。----------------------华丽的分割线------------------------这个故事包含了Java多线程的大部分核心问题，所以下面我就来复述一下这个故事。有这样一个学校（Java虚拟机），里面有很多人（线程）。我们简单的分为学生、老师、宿舍阿姨。学校中间还有一个非常棒的水果超市（临界区）。里面有一个仓库，里面存放着苹果、西瓜、橘子（临界区保护资源）。来这家超市的人，一方面可以把水果带走吃掉，另一方面可以送水果还钱。不过，超市里还有一个很奇怪的规定，就是学生只能吃或者送苹果，老师只能吃或者送西瓜，宿舍阿姨只能吃或者送橘子。这家超市的进出也很有规律。来这家超市的人必须持有相应的证件（锁物），学生需要持有学生证，老师需要持有教师证，宿舍阿姨需要持有阿姨证（锁物不同）。这三张证件每张都只有一张，存放在超市门口的证件领取处（取锁的地方，可以说是堆放的）。锁）进入。如果证书临时被别人拿走，无法获取（获取锁失败），需要在后方等待区（SychronizedQueue）排队等候证书。然后还有三个等待区，分别是学生证等待区，教师证等待区，阿姨证等待区（每个锁对象对应一个同步队列）。进入超市，更是陌生。无论是从超市取水果还是送水果，都需要一个操作台（单核CPU）来控制，而这个操作台一次只能由一个人操作。操作。为了防止有人占用控制台时间过长，这个控制台只允许一个人继续操作10s（CPU时间片），10s后屏幕上会显示一个ID，只有这个ID的人可以操作（线程切换）。至于选择哪个号码，无论是老师、学生还是宿舍阿姨都无法决定和干预，只能让控制台来决定（操作系统决定线程切换和时间分配）。不过好在每个人在控制台都有自己的账号（线程的工作内存），运行到一半就中断的数据不会丢失。这个故事的背景讲完了，下面这所学校里发生了各种各样的事情。首先我们假设进入这个学校的人都是去超市办事的。首先，人出现在学校外面（线程状态NEW），然后人进入学校（线程状态RUNNABLE）。某一刻，控制台上出现了一个数字2，这个数字通过各个学校的大屏幕通知给了所有人。于是，身份证号为2的同学小明看到了自己的号码，得知自己已经获得了进入超市操作台的权限（获得了CPU执行权），于是就出发前往超市。小明先走到超市门口，对领卡处的管理人员说：“学生卡给我！”（拿到锁）。管理人员找了找，找到一张学生证，就给了小明。小明拿到学生证，成功进入超市（成功拿到锁，进入关键区域），坐在控制台前，登录自己的账号系统（准备好工作内存，开始执行关键）区号）。小明此行的目的是带走一个苹果，于是点击苹果产品图标，系统显示还有4个苹果。于是小明成功拿走了苹果，系统记录了苹果个数-1，在系统总库（代码）中记录了新的苹果个数3。然后小明走出超市（代码执行后退出临界区），将学生证退回收卡处（释放锁），走出校园（线程状态TERMINAL），消失走进外面的人群。随后控制台上显示出3号，也通过学校的大屏幕通知了大家。3号学生小张看到自己的号码，得知自己获得了进入超市操作台的权限，便出发前往超市。小张和小明在做着一模一样的操作，只是小张的操作太慢了。刚点了一个苹果产品的图标，系统就显示下一个人的数字5。这时，小张只能被迫终止自己的操作，放弃控制台操作权（线程切换）。5号学生小王接到通知，兴冲冲地来到超市，向领卡处的管理人员询问：“给我一张学生证！”。管理人员四处寻找，发现学生证被小明拿走了，只能告诉小王，“对不起，学生证暂时无法使用，请到学生证等候区(同步队列WaitQueue)要排队！”（获取锁失败）。小王只好乖乖排队（线程状态BLOCKING）。这时，操作台上再次显示出3号，正是刚刚操作到一半的小张。小张此时还在超市里（没有释放锁），不需要重新进入，赶紧跑到控制台继续刚才的操作（线程切换，继续执行中断的代码），拿了一个苹果，离开去了超市，还了学生证（解锁）。这时，领证处的管理人员接过学生证，朝后面的学生证排队区喊道：“有学生证，排队的人快来拿！”（通知同步队列离队）。正在排队等候通行证的5号小王闻言从队列中出来，正要办通行证进入超市。可此时，操作台上显示的号码却是另外一个10号学号，10号学号拿着学生证进入了超市开始营业。操作到一半，控制台的时限再次上升，显示出小王的5号身份证。小王刚从等证的队列中出来，终于得到了下一步的许可，于是他走到取证处，“给我一张学生证！”。由于学生证已经被10号拿走，管理人员只能说：“抱歉，学生证暂时无法使用，请到后面的学生证等候区排队！”小王看到自己等了这么久被别人抢先了一步，刚想骂一句，想到学校的名言“这个世界是不公平的”，就乖乖走到学生证等候区继续排队。（不公平的锁，不是谁等的时间长谁就锁）10号操作后，学生证被退回，小王又被办证处管理员喊，“我有学生证，排队的人快来拿！”。小王走出了排队区，这时控制台终于显示出小王的5号。小王这次顺利领取了学生证，进入超市，坐在操作台上，登陆了自己的系统。小王想买苹果，于是点击了苹果产品按钮，但是系统显示苹果数量为0！小王现在想了想，有了下一步的打算：继续留在超市，有空就去控制台看看网上的苹果数量，直到有苹果为止。但是如果一直呆在超市里，想给超市送苹果的同学可能拿不到学生证，永远也拿不到苹果，这显然是不合适的。（在Sychronized代码块中循环等待）于是小王的另一个想法就是走出超市，归还学生证，等待下一次进入超市查看苹果数量的机会，直到有苹果。这样虽然有机会拿到苹果，但是太累了。如果这段时间没人给超市送苹果，那这趟旅行其实就是浪费时间。（同步代码块外循环等待）于是小王想出了一个巧妙的办法，我可以走出超市，在一个地方等待（Wait），那里不会收到控制台的通知。如果有人送苹果到超市，等候区会发出一个信号（Notify），然后超市就有可能有苹果了。这时，我从等候区出来，伺机拨通号码。虽然苹果可能会被其他吃苹果的同学抢走，但至少不会浪费太多时间。(WaitingNotificationMechanism)就在超市旁边，有很多等待区（waitingqueueWaitQueue）每种水果。一共有六个，苹果满等候区，西瓜满等候区，橘子满等候区（条件变量Condition）。小王很聪明。他走出超市，交回学生证（Wait会解锁），走到苹果消失的等候区（Wait），等待有人送苹果的信号（同步信号-wake）.这时，小孙走进了超市，给超市买了5个苹果，换了零花钱。之后他马上通知Apple没有等候区，并发出信号“超市里有苹果！（AppleNotEmpty.notifyAll）”，但此时小孙还没有走出超市（Notify没有释放锁）。小王在等候区收到信号，立即走出等候区，等待被叫号码完成吃苹果的任务。可惜，小王还没来得及拨通电话，苹果就被其他几个同学抢走了，轮到小王了。小王也很聪明。他考虑到这种情况，没有直接拿走苹果。而是重新查询了苹果的个数（Wait一般匹配While条件），发现苹果的个数为0，于是又重复了前面的步骤，小王又回到了苹果。没有等候区。接下来的时间里，小王一直在苹果没了的等候区和学生证等候区之间穿梭。小王发现吃一个苹果太难了，同时还要满足。”信号，此时取卡区有一张学生证，控制台查询到的苹果数量不为0。终于有一次。小王成功满足了这三个条件，看到苹果数量控制台上是1！小王正兴冲冲的准备按下购买键，可这时控制台一闪，突然出现了别人的号码，此人是超市管理员，他凭着超市管理员专用卡成功进入了超市并拿走了苹果，这时候苹果的数量又变成了0，然后就轮到小王操作了，但是小王不知道之前发生了什么，他清楚的看到苹果的数量是1。为了保险起见，小王又查了几次苹果的个数，发现还是1个（非Volatile修饰的变量不保证线程间的可见性），于是兴冲冲的按下了购买按钮！于是，console根本没有苹果。存储区发出取苹果的指令。系统没想到会发生这样的事情，于是机器炸了，小王牺牲了（抛出运行时异常，线程释放锁终止）。几年后，原来做手术台的人被枪杀了，学校高薪聘请了专家来搭建，解决了之前的问题（Volatile）。超市又恢复正常运转了。有时超市只有一个人（进入同一个锁对象临界区的不同线程会互斥，只能有一个线程进入），有时超市会出现三个人（不同线程进入锁对象的临界区）锁对象不是互斥的）。是学生，是老师，还有宿舍阿姨。三人互不影响，相安无事。学校生活再次丰富起来。故事讲完了，虽然不能把并发编程的所有内容都讲清楚，也不能把细节处处讲得恰到好处，但却是一个很有趣的思考过程。希望大家积极讨论故事中的错误和不完善之处，一起把故事讲得更好。以下是故事内容及其含义的概要：
