【Java面试笔记：实战】41、Java面试核心考点！AQS原理及应用生态全解析

引言：AQS在Java并发体系中的核心地位

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）作为Java并发包的底层基石，是理解ReentrantLock、Semaphore等同步工具的关键。

在Java架构师面试中，AQS的原理与应用是高频考点，掌握其核心机制对理解JUC包和构建高并发系统至关重要。

本文将从原理、应用、源码到Spring生态实践进行全面解析，帮助读者系统掌握这一核心技术。

一、AQS核心原理深度剖析

1.1 AQS的架构设计与核心组件

AQS是Java并发包中用于构建锁和同步器的抽象框架，其设计包含三大核心组件：

1.1.1 三大核心组件详解

组件名称	技术实现	核心作用
状态变量state	volatile int，通过CAS操作更新	存储同步状态，不同场景含义不同（如锁重入次数、信号量许可数等）
CLH等待队列	双向链表，由Node节点组成	管理等待线程的FIFO顺序，实现线程阻塞与唤醒机制
模板方法	抽象方法需子类实现	定义同步逻辑接口（如tryAcquire、tryRelease等），实现模板方法模式

1.1.2 Node节点核心字段解析

static final class Node {// 节点状态：CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)、PROPAGATE(-3)volatile int waitStatus;// 前驱节点引用volatile Node prev;// 后继节点引用volatile Node next;// 关联的线程volatile Thread thread;// 条件队列中的后继节点Node nextWaiter;
}

1.1.3 CLH队列结构示意图

CLH队列关键特性说明

1. 双向链表结构：
   • 每个节点包含 prev 和 next 指针
   • 头节点(Head)的prev为null
   • 尾节点(Tail)的next为null
2. 节点内部结构：

   static final class Node {volatile int waitStatus;  // 等待状态volatile Node prev;       // 前驱节点volatile Node next;       // 后继节点volatile Thread thread;   // 关联线程Node nextWaiter;          // 条件队列链接
   }
   

3. 等待状态(waitStatus)：
   • SIGNAL(-1)：后继节点需要唤醒
   • CANCELLED(1)：线程已取消
   • CONDITION(-2)：在条件队列中
   • 0：初始状态
4. 队列操作：
   • 入队：尾插法（CAS更新Tail）

     // AQS中的入队代码
     private Node addWaiter(Node mode) {Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);Node pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}enq(node); // CAS失败时自旋入队return node;
     }
     

   • 出队：头节点释放后唤醒后继

     // 唤醒后继节点
     private void unparkSuccessor(Node node) {int ws = node.waitStatus;if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);Node s = node.next;if (s == null || s.waitStatus > 0) {s = null;// 从尾向前查找有效节点for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)if (t.waitStatus <= 0) s = t;}if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread);
     }
     

1.2 AQS工作流程详解（独占模式）

1.2.1 核心执行流程

1.2.2 关键机制解析

1. CAS无锁操作：

   // AQS更新state的核心方法
   protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
   }
   

   • 通过Unsafe类直接操作内存，确保原子性
   • stateOffset通过objectFieldOffset获取字段偏移量
2. 线程阻塞与唤醒：
   • 阻塞：LockSupport.park(this)
   • 唤醒：LockSupport.unpark(thread)
   • 基于Unsafe的park/unpark，比Object.wait/notify更高效
3. 队列管理：
   • 入队：CAS尾插法，保证线程安全
   • 出队：头节点释放后，将后继节点设为新头节点

二、AQS的同步模式与核心方法

2.1 独占模式（Exclusive Mode）

2.1.1 核心特性

• 同一时刻仅允许一个线程获取资源
• 典型实现：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock
• 关键方法：
  • acquire(int arg)：获取资源，失败则入队等待
  • release(int arg)：释放资源，唤醒后继节点

2.1.2 状态流转图

2.2 共享模式（Shared Mode）

2.2.1 核心特性

• 允许多个线程同时获取资源
• 典型实现：Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock.ReadLock
• 关键方法：
  • acquireShared(int arg)：获取共享资源，失败入队
  • releaseShared(int arg)：释放共享资源，可能唤醒后继

2.2.2 状态流转图