AQS机制详解与总结

一. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）简介

AQS 是 Java 并发包中用于构建锁（如 ReentrantLock）、同步器（如 Semaphore、CountDownLatch）和协作工具类的核心框架。

1. 核心理念：

• 独占资源控制： 当共享资源空闲时，线程尝试通过原子操作获得资源，并设置为锁定状态。
• 队列化等待机制： 如果资源被占用，线程将被加入一个基于 FIFO 的虚拟双向队列（CLH队列） 中进行阻塞等待，直到被唤醒再次尝试。

2. 核心成员变量state：

// 表示同步状态的变量
private volatile int state;

• state 是 AQS 中用于表示同步状态的关键变量。
  • 在 ReentrantLock 中，state 表示锁的重入次数；
  • 在 Semaphore 中，state 表示剩余的许可证数量；
  • 在 CountDownLatch 中，state 表示倒计时计数。
• 该变量由 volatile 修饰，确保多线程间的可见性。
• 所有对 state 的修改均通过 CAS（Compare-And-Swap）操作 保证原子性，避免使用重量级的锁。

3. 工作机制简述：

      ┌───────────────┐
      │     线程A     │
      └─────┬─────────┘
            │ acquire()
            ▼
   ┌─────────────────────┐
   │    AQS（框架）       │
   │  ┌───────────────┐  │
   │  │ state（volatile）│◄───CAS原子更新
   │  └───────────────┘  │
   │  ┌───────────────┐  │
   │  │ FIFO等待队列    │◄─入队/出队/唤醒线程
   │  └───────────────┘  │
   └─────────────────────┘

（1）获取锁（Acquire）：

• 使用 CAS 尝试修改 state。
• 成功：表示当前线程获取锁成功，继续执行。
• 失败：进入等待队列（CLH），阻塞当前线程。

（2）释放锁（Release）：

• 同样使用 CAS 更新 state。
• 如果 state 变为允许状态，则唤醒等待队列中的下一个线程。

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二、AQS的核心任务

AQS 作为 Java 并发框架中的核心同步器框架，主要负责以下三个方面：

1. 同步状态（state）的原子操作
   • 通过 volatile 保证可见性，CAS 保证原子性。
2. 线程的阻塞与唤醒
   • 利用内置 FIFO 等待队列（CLH队列）管理线程挂起与恢复。
3. 等待队列的管理
   • 包括节点的入队、出队、取消、唤醒等机制。

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三、AQS的核心组成

组件	说明
state 变量	表示同步状态，具体含义由子类定义： 🔸 Semaphore：剩余许可证数量 🔸 CountDownLatch：倒计时计数 🔸 ReentrantLock：锁状态（含重入次数）
FIFO 等待队列	线程在竞争失败后会进入队列，按照顺序等待资源
协作工具类方法	如 acquire()、release()、await()、countDown() 等， 具体行为由子类重写 tryAcquire() 和 tryRelease() 实现

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四、CAS 与 AQS 的区别与联系

1. CAS（Compare-And-Swap）

• 一种无锁原子操作机制。
• 依赖于硬件指令实现原子性。
• 三个操作数：V（内存值）、A（期望值）、B（更新值）。
• 如果 V == A，则将 V 更新为 B；否则什么都不做。

2. AQS

• 一套**构建同步器（如锁、信号量）**的抽象框架。
• 内部通过 volatile state 表示状态。
• 使用 CAS 操作来更新 state，保证原子性。
• 通过 CLH 队列管理线程等待。

3. 关系总结

• AQS 依赖 CAS 实现对 state 的原子更新。
• AQS 封装了大量与线程调度、状态管理、阻塞唤醒相关的逻辑，而 CAS 是实现原子性的关键技术手段。

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五、使用 AQS 实现可重入公平锁 实现步骤

1. 继承 AbstractQueuedSynchronizer

• 创建一个静态内部类，继承 AQS。
• 重写核心方法：
  • tryAcquire(int arg)
  • tryRelease(int arg)
  • isHeldExclusively()

2. 实现可重入逻辑

• 在 tryAcquire 中判断：
  • 若当前线程已持有锁，则支持重入（state++）。
  • 否则尝试通过 CAS 获取锁（state=0 -> 1）。

3. 实现公平性机制

• 在 tryAcquire 中优先检查等待队列：
  • 若有前驱节点在等待，当前线程需排队，不可直接竞争锁。

4. 封装为外部锁类

• 外部类持有 AQS 子类的实例。
• 提供 lock() 和 unlock() 方法，内部调用 AQS 的同步逻辑。

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