深入理解AQS：并发编程的基石

目录

一、什么是AQS？

1.1 AQS的核心地位

二、AQS核心架构

2.1 状态管理

三、AQS工作原理

3.1 同步队列管理

3.2 等待状态说明

四、AQS的两种模式

4.1 独占模式（Exclusive）

4.2 共享模式（Shared）

五、AQS在JUC中的应用

5.1 ReentrantLock实现

六、条件变量（Condition）

6.1 条件队列实现

七、AQS设计精髓

7.1 模板方法模式

7.2 无锁队列操作

八、总结

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一、什么是AQS？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器）是Java并发包（JUC）的核心基础框架，它为实现各种同步器（如锁、信号量等）提供了一个通用的底层架构。

1.1 AQS的核心地位

1. JUC的基石：ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等都基于AQS构建
2. 模板方法模式：定义了同步器的骨架，子类实现特定逻辑
3. CLH队列：基于CLH锁变体的FIFO等待队列实现

二、AQS核心架构

2.1 状态管理

AQS使用一个volatile int state来表示同步状态：

1. ReentrantLock：state表示重入次数
2. Semaphore：state表示可用许可数

三、AQS工作原理

3.1 同步队列管理

AQS使用CLH变体的FIFO双向队列管理等待线程：

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;              // 条件队列专用
}

3.2 等待状态说明

状态值	常量名	描述
0	初始状态	节点初始化时的状态
1	CANCELLED	节点因超时或中断被取消
-1	SIGNAL	后继节点需要被唤醒
-2	CONDITION	节点在条件队列中等待
-3	PROPAGATE	共享模式下传播释放

四、AQS的两种模式

4.1 独占模式（Exclusive）

// 获取资源
public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();
}// 释放资源  
public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);return true;}return false;
}

4.2 共享模式（Shared）

// 获取共享资源
public final void acquireShared(int arg) {if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireShared(arg);
}// 释放共享资源
public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();return true;}return false;
}

五、AQS在JUC中的应用

5.1 ReentrantLock实现

// 非公平锁获取实现
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires;setState(nextc);return true;}return false;
}

六、条件变量（Condition）

6.1 条件队列实现

public class ConditionObject implements Condition {private transient Node firstWaiter;   // 条件队列头private transient Node lastWaiter;    // 条件队列尾public final void await() throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();Node node = addConditionWaiter();  // 加入条件队列int savedState = fullyRelease(node); // 完全释放锁// ... 等待被signal唤醒}
}

七、AQS设计精髓

7.1 模板方法模式

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer {// 子类需要实现的方法protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }protected boolean tryRelease(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); }// 模板方法public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();}
}

7.2 无锁队列操作

AQS使用CAS操作维护队列：

// 节点入队
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失败时进入完整入队return node;
}

八、总结

AQS作为Java并发编程的基石，其设计体现了多个精妙之处：

• 模板方法模式：分离通用逻辑与特定实现
• CLH队列变体：高效管理等待线程
• 状态机设计：灵活支持多种同步器
• 无锁算法：CAS操作保证线程安全