当前位置：首页 > news >正文

深入剖析Java并发基石：AQS原理与实战

news 2025/7/16 10:15:27

深入剖析Java并发基石：AQS原理与实战

一、为什么需要AQS？

在Java并发编程中，线程同步是保证数据一致性的核心挑战。JDK 1.5之前仅依赖synchronized关键字，存在灵活性差、功能单一等问题。Doug Lea设计的AQS框架，为ReentrantLock、Semaphore等同步组件提供了统一底层支持，成为Java并发包的基石。

二、AQS核心设计思想

1. 核心结构

state状态变量：
32位整型值，通过volatile保证可见性。不同组件中含义不同：
- ReentrantLock：表示重入次数
- Semaphore：表示可用许可证数量
- CountDownLatch：表示未完成的计数

CLH队列（FIFO双向链表）：
存储等待线程的队列，节点类型为Node，包含：

volatile int waitStatus; // 节点状态（CANCELLED/SIGNAL/CONDITION等）
volatile Node prev;      // 前驱节点
volatile Node next;      // 后继节点
Thread thread;           // 关联线程

2. 模板方法模式

AQS采用模板方法模式，将核心逻辑封装在acquire()、release()等方法中，子类只需实现：

tryAcquire(int arg)：尝试获取资源（独占模式）
tryRelease(int arg)：尝试释放资源
tryAcquireShared(int arg)：共享模式获取
tryReleaseShared(int arg)：共享模式释放

三、两种同步模式详解

1. 独占模式（Exclusive）

以ReentrantLock为例：

加锁流程：
1. 线程调用lock()时，尝试通过tryAcquire()修改state（0→1）。
2. 若失败，将线程封装为Node.SIGNAL节点加入队列尾部，通过LockSupport.park()阻塞。
3. 当头部节点的后继节点被唤醒时，重新尝试获取锁。
解锁流程：
1. 调用unlock()执行tryRelease()减少state。
2. 若state=0，唤醒后继节点中的线程。

重入性实现：state记录重入次数，释放时需匹配调用次数。

2. 共享模式（Shared）

以Semaphore为例：

获取许可证：
1. acquire()调用tryAcquireShared()减少state（剩余许可证）。
2. 若state<0，线程入队阻塞。
3. 前驱节点释放时，唤醒连续多个共享节点（与独占模式区别）。
释放许可证：
1. release()增加state，唤醒后续节点。
2. 唤醒传播直至无资源可用。

四、关键源码流程剖析

1. `acquire()`方法流程（独占模式）

public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&      // 子类实现获取逻辑acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 加入队列selfInterrupt();
}

addWaiter()：将线程包装为Node并插入队尾（CAS保证线程安全）。
acquireQueued()：
- 循环检查当前节点是否为头节点的后继（即“第二顺位”）。
- 若符合条件则尝试tryAcquire()，成功后将自己设为新头节点。
- 否则调用LockSupport.park()挂起线程。

2. 节点唤醒机制

当头部节点释放锁时：
1. 调用unparkSuccessor()找到离头节点最近的非取消状态节点。
2. 通过LockSupport.unpark(node.thread)唤醒线程。

五、AQS在同步组件中的应用

组件	同步模式	`state`含义	特性
`ReentrantLock`	独占	重入次数	支持公平/非公平锁
`Semaphore`	共享	可用许可证数量	可控制并发线程数
`CountDownLatch`	共享	未完成的任务数	一次性屏障，不可重置
`ReentrantReadWriteLock`	组合模式	高16位读锁，低16位写锁	读写分离，写锁优先

六、AQS的进阶特性

可中断与超时：
acquireInterruptibly()和tryAcquireNanos()支持响应中断和超时控制。
条件变量（Condition）：
通过ConditionObject实现等待队列，与同步队列分离。
- await()：释放锁并加入条件队列。
- signal()：将条件队列节点转移到同步队列。
公平 vs 非公平锁：
- 公平锁：严格按队列顺序获取资源。
- 非公平锁：新线程直接尝试插队（性能更高，可能引发饥饿）。