AQS（AbstractQueuedSynchronizer）核心原理与源码解析

一、AQS概述

1. 定义与作用
   • AQS是Java并发包中的基础框架（java.util.concurrent.locks包下的抽象类），用于构建锁和同步器。 • 提供通用功能实现（如线程排队、状态管理），简化同步器的开发，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等均基于AQS。

2. 解决的问题
   • 封装底层线程同步机制，隐藏线程管理复杂性。 • 通过模板方法模式定义资源获取/释放的通用流程，开发者只需关注具体同步逻辑。

二、AQS核心组件

1. 同步状态（state变量）
   • 作用：通过volatile int state表示共享资源状态（如锁的持有次数、信号量许可数等）。 • 操作方法：
   ◦ getState()：获取当前状态。 ◦ setState(int)：直接设置状态。 ◦ compareAndSetState(int, int)：原子更新状态（CAS操作）。

2. CLH变体队列
   • 结构：双向队列（原CLH为单向），每个节点代表等待线程，包含thread、waitStatus、prev、next字段。 • 改进： ◦ 自旋+阻塞：减少CPU占用，先短暂自旋尝试获取资源，失败后阻塞。 ◦ 双向指针：便于唤醒后继节点，提升效率。

3. 节点状态（waitStatus）

   状态值	含义
   SIGNAL (-1)	后继节点需被唤醒，当前节点释放资源后会通知后继节点。
   CANCELLED (1)	节点因超时或中断取消等待，需从队列中移除。
   CONDITION (-2)	节点处于条件等待队列，等待signal()后被转移到同步队列。
   PROPAGATE (-3)	共享模式下传播唤醒操作，解决并发场景下线程无法唤醒的问题。
   0	初始状态，新节点加入队列时的默认值。

三、AQS工作流程

1. 模板方法模式
   • 钩子方法：子类需重写以下方法实现具体同步逻辑： ◦ tryAcquire(int) / tryRelease(int)：独占模式获取/释放资源。 ◦ tryAcquireShared(int) / tryReleaseShared(int)：共享模式获取/释放资源。 ◦ isHeldExclusively()：判断当前线程是否独占资源。

2. 独占模式（如ReentrantLock）
   • 获取资源：

   1. 调用acquire(int)尝试获取资源。
   2. 失败后通过addWaiter()将线程封装为节点加入队列。
   3. 在acquireQueued()中自旋或阻塞，等待前驱节点释放资源。 • 释放资源：
   4. release(int)调用tryRelease(int)释放资源。
   5. 若资源完全释放（state=0），唤醒后继节点。

3. 共享模式（如Semaphore）
   • 获取资源： ◦ acquireShared(int)尝试获取资源，失败后加入队列。 ◦ 被唤醒后若剩余资源足够，传播唤醒后续节点（setHeadAndPropagate()）。 • 释放资源： ◦ releaseShared(int)释放资源，通过doReleaseShared()唤醒后续节点。 ◦ PROPAGATE状态：解决并发释放资源时可能出现的唤醒遗漏问题。

四、关键源码分析

1. 独占模式获取资源（以ReentrantLock为例）
   • 非公平锁nonfairTryAcquire()：

   final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
       Thread current = Thread.currentThread();
       int c = getState();
       if (c == 0) { // 资源未被占用
           if (compareAndSetState(0, acquires)) {
               setExclusiveOwnerThread(current); // 设置持有线程
               return true;
           }
       } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 重入
           setState(c + acquires);
           return true;
       }
       return false;
   }
   

2. 共享模式释放资源（以Semaphore为例）
   • 释放逻辑：

   protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
       for (;;) {
           int current = getState();
           int next = current + releases;
           if (compareAndSetState(current, next)) {
               return true;
           }
       }
   }
   

五、基于AQS的同步工具

1. ReentrantLock
   • 特性：可重入、支持公平/非公平锁。 • 实现：通过state记录锁的持有次数，独占模式实现。

2. Semaphore
   • 作用：控制并发线程数，state表示可用许可数量。 • 模式：公平/非公平，通过共享模式实现。

3. CountDownLatch
   • 原理：state初始化为任务数，线程调用countDown()递减，await()阻塞至state=0。

4. CyclicBarrier
   • 特点：可循环使用，基于ReentrantLock和Condition实现。 • 与CountDownLatch区别：支持重置计数器，允许执行屏障任务。

六、总结

• AQS核心思想：通过CLH队列管理等待线程，结合CAS操作和状态机实现高效同步。 • 设计优势：模板方法模式提供扩展性，双向队列和状态流转优化唤醒效率。 • 应用场景：适用于需要精确控制资源访问的同步工具，如锁、信号量、倒计时器等。

通过深入理解AQS的设计，开发者可以更高效地实现自定义同步器，并掌握Java并发工具底层原理。