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AQS模板方法

news 2025/8/23 16:16:24

一、AQS 是什么？

AbstractQueuedSynchronizer（简称 AQS）是 Java 并发包 java.util.concurrent.locks 中的一个抽象类，它是构建锁和同步器（如 ReentrantLock, Semaphore, CountDownLatch 等）的核心框架。

你可以把 AQS 看作一个**“同步状态管理器”**。它解决了并发编程中最核心的问题：

  1. 如何管理一个共享的状态？（比如锁的“被持有”或“未被持有”状态，信号量的“可用许可数”）。
  2. 当多个线程竞争这个状态时，如何让竞争失败的线程排队等待？
  3. 当状态被释放时，如何从等待队列中唤醒一个或多个线程？

AQS 将这些通用的、复杂的线程排队、状态管理、唤醒机制都封装好了，而把“状态是什么”以及“在什么条件下可以获取/释放状态”这个问题留给了它的子类去定义。

二、模板方法模式

在深入 AQS 之前，我们先快速回顾一下模板方法模式。

1. 定义

模板方法模式在一个方法中定义了一个算法的骨架，而将一些步骤的实现延迟到子类中。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。

2. 两个关键角色

  • 模板方法：在父类中定义，它是一个具体方法，包含了算法的骨架。它调用一系列基本方法（可以是抽象的，也可以是具体的）来完成整个流程。
  • 基本方法：
    • 抽象方法：由父类声明，子类必须实现。这是算法中可变的部分。
    • 具体方法：由父类实现，子类可以继承或覆盖。这是算法中不变的部分。

3. 简单例子

// 父类：定义制作饮料的流程
abstract class BeverageTemplate {// 这是模板方法，定义了制作饮料的算法骨架（final防止子类覆盖）public final void prepareBeverage() {boilWater(); // 固定步骤brew();      // 可变步骤，由子类实现pourInCup(); // 固定步骤addCondiments(); // 可变步骤，由子类实现}private void boilWater() {System.out.println("Boiling water");}private void pourInCup() {System.out.println("Pouring into cup");}// 抽象方法，由子类实现protected abstract void brew();protected abstract void addCondiments();
}// 子类1：制作咖啡
class Coffee extends BeverageTemplate {@Overrideprotected void brew() {System.out.println("Dripping Coffee through filter");}@Overrideprotected void addCondiments() {System.out.println("Adding Sugar and Milk");}
}// 子类2：制作茶
class Tea extends BeverageTemplate {@Overrideprotected void brew() {System.out.println("Steeping the tea");}@Overrideprotected void addCondiments() {System.out.println("Adding Lemon");}
}

在这个例子中，prepareBeverage() 就是模板方法，它定义了制作饮料的通用流程。而 brew() 和 addCondiments() 就是抽象的基本方法，由子类（Coffee, Tea）来提供具体实现。

三、AQS 如何运用模板方法模式

AQS 是模板方法模式在 Java 并发领域最经典、最完美的应用。

1. AQS 中的“模板方法”

AQS 内部提供了一系列对使用者开放的、公有的、final 的方法，这些方法就是模板方法。它们定义了获取和释放同步状态的完整流程。

例如：

  • acquire(int arg)：独占模式下获取同步状态。如果获取失败，线程会进入等待队列。
  • release(int arg)：独占模式下释放同步状态。如果释放成功，会唤醒等待队列中的第一个线程。
  • acquireShared(int arg)：共享模式下获取同步状态。
  • releaseShared(int arg)：共享模式下释放同步状态。
  • acquireInterruptibly(int arg)：可中断的获取。

这些方法都是 final 的，意味着任何继承 AQS 的子类都不能去修改它们的核心流程。这些流程（比如排队、阻塞、唤醒）已经被 AQS 精心设计并固化了。

2. AQS 中的“基本方法”（钩子方法）

AQS 将“判断是否可以获取/释放状态”这个核心逻辑，抽象成了一系列受保护的、抽象的或可覆盖的方法，供子类实现。这些就是基本方法或钩子方法。

核心的钩子方法主要有以下几个：

方法名描述模式
tryAcquire(int arg)尝试以独占模式获取状态。如果成功，返回 true。这是实现 ReentrantLock 等独占锁的核心。独占
tryRelease(int arg)尝试以独占模式释放状态。如果释放后允许唤醒后继节点，返回 true。独占
tryAcquireShared(int arg)尝试以共享模式获取状态。返回值大于等于0表示成功，负数表示失败。这是实现 Semaphore、CountDownLatch 的核心。共享
tryReleaseShared(int arg)尝试以共享模式释放状态。如果释放后可能需要唤醒后继节点，返回 true。共享
isHeldExclusively()查询当前同步器是否被当前线程独占。Condition 的实现需要它。独占

关键点：这些方法在 AQS 中默认会抛出 UnsupportedOperationException。AQS 强制子类必须根据自己想要的同步语义（是独占锁还是共享锁）去实现它们。

3. AQS 的“状态”——state 变量

AQS 内部维护了一个 private volatile int state 变量。这个 state 就是同步状态，它的具体含义完全由子类来定义。

  • 对于 ReentrantLock，state 可以表示锁被重入的次数。0 表示未被持有，1 表示被持有一次，N 表示被重入 N 次。
  • 对于 Semaphore，state 表示剩余的可用许可数。
  • 对于 CountDownLatch，state 表示需要倒计数的初始值。

AQS 提供了 getState(), setState(int newState), compareAndSetState(int expect, int update) 这三个 final 方法来安全地操作 state，子类通过这些方法来管理状态。

四、实例解析：ReentrantLock 如何基于 AQS 实现

ReentrantLock 内部有一个 Sync 类，它继承自 AQS。

1. 定义状态

ReentrantLock 将 AQS 的 state 定义为锁的持有计数。

2. 实现钩子方法

ReentrantLock 有公平锁和非公平锁两种模式，它们分别对应 Sync 的两个子类 FairSync 和 NonfairSync。我们以非公平锁为例，看看它是如何实现 tryAcquire 的。

// ReentrantLock.NonfairSync 中的简化版 tryAcquire
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState(); // 获取当前状态（持有次数）if (c == 0) { // 如果状态为0，表示锁未被持有// 使用 CAS 尝试将状态从 0 设置为 acquires（通常是1）if (compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current); // 如果成功，设置当前线程为独占者return true; // 获取成功}}// 如果状态不为0，检查持有锁的线程是不是自己else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires; // 如果是，增加重入次数if (nextc < 0) // overflowthrow new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc); // 直接设置状态，因为已经是独占状态，不需要CASreturn true; // 重入成功}// 否则，获取失败return false;
}

分析：

  • 这个 nonfairTryAcquire 方法就是 AQS 的 tryAcquire 钩子方法的具体实现。
  • 它定义了“非公平地获取一个可重入锁”的业务逻辑：先抢一下（CAS），抢不到再看是不是自己的锁（重入）。
  • 它只关心“能不能拿到锁”，至于拿不到怎么办（排队、阻塞），它完全不关心。
3. 调用流程

当你的代码调用 lock.lock() 时：

  1. lock() 方法会调用 AQS 的模板方法 acquire(1)。
  2. acquire(1)（模板方法）的内部逻辑大概是：
    public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && // 调用子类实现的 tryAcquireacquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 如果失败，则入队并阻塞selfInterrupt();}
  1. AQS 的 acquire 方法首先调用 tryAcquire(1)，也就是我们上面看到的 nonfairTryAcquire(1)。
  2. 如果 tryAcquire 返回 true，acquire 方法执行完毕，线程成功获取锁，继续执行。
  3. 如果 tryAcquire 返回 false，AQS 就会接管后续工作：将当前线程包装成一个节点（Node）加入到内部的 CLH 等待队列中，然后通过 LockSupport.park() 将线程挂起（阻塞）。

这就是模板方法模式的精髓：AQS 定义了“获取锁”这个复杂流程的骨架（acquire），而将“如何判断锁是否可用”这个核心逻辑（tryAcquire）留给子类（ReentrantLock）去实现。

五、总结

特性描述
AQS 角色模板方法模式中的抽象父类。它定义了同步器的通用算法骨架。
模板方法acquire(), release(), acquireShared() 等。它们是 final 的，定义了获取/释放状态的完整流程，包括排队、阻塞、唤醒等不变逻辑。
基本方法（钩子）tryAcquire(), tryRelease(), tryAcquireShared() 等。它们是 protected 的，由子类实现，定义了“状态是否可获取/释放”的可变逻辑。
核心状态volatile int state。其具体含义由子类定义，AQS 只提供安全的访问方法（getState, setState, CAS）。
设计优势解耦和复用。AQS 将复杂的并发控制逻辑与具体的同步语义分离开。开发者只需关注自己的业务逻辑（如何定义状态和获取/释放条件），而无需关心底层的线程排队和调度，极大地简化了高性能同步器的开发难度。

通过这种设计，Java 并发包能够以 AQS 为基础，高效地构建出 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock 等功能各异但底层机制统一的同步工具，是 Java 并发库设计的基石。

http://www.dtcms.com/a/346359.html

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