AQS原理详解

原创于 2025-04-13 18:50:24 发布 · 661 阅读

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#java #spring #AQS

一、核心组成部分

（一）同步状态（state）

AQS使用一个volatile修饰的int类型变量state表示同步状态，不同的同步器对state的含义有不同定义。以ReentrantLock为例，state表示锁被同一个线程重复获取的次数，0代表未锁定，大于0表示已锁定，数值为获取次数；在Semaphore中，state表示剩余的许可数量。对state的操作主要通过getState()、setState()和compareAndSetState()这三个方法，compareAndSetState()利用CAS操作保证了state在多线程环境下修改的原子性，确保了对同步状态的安全操作。

（二）FIFO等待队列

AQS维护了一个基于双向链表实现的FIFO（先进先出）等待队列，用于管理等待获取资源的线程。队列中的每个节点（Node）代表一个线程，节点包含了线程的引用、等待状态（waitStatus）等信息。等待状态常见的值有：

SIGNAL（值为 -1）：表示后续节点需要被唤醒。
CANCELLED（值为1）：表示线程已取消等待，可能因为等待超时或被中断。
CONDITION（值为 -2）：表示线程在条件队列中等待。
PROPAGATE（值为 -3）：在共享模式下，用于表示下一次共享式同步状态获取将会无条件传播下去。
当线程获取资源失败时，会被包装成一个Node节点加入到等待队列的尾部。

二、资源获取与释放机制

（一）资源获取

线程通过调用AQS的acquire(int arg)方法尝试获取资源。该方法首先会调用tryAcquire(arg)方法（此方法由具体的子类实现）尝试获取资源。如果tryAcquire返回true，说明获取资源成功；如果返回false，就会调用addWaiter(Node.EXCLUSIVE)将当前线程加入等待队列，然后通过acquireQueued方法使线程在队列中不断尝试获取锁，直到成功或被中断。在acquireQueued方法中，线程会先判断当前节点的前驱节点是否为head节点（队列头节点不关联具体线程，仅作为标记），如果是则再次尝试获取锁；如果不是或者获取锁失败，会根据前驱节点的waitStatus值判断是否需要将当前线程挂起（通过LockSupport.park()操作）。

（二）资源释放

持有资源的线程调用AQS的release(int arg)方法释放资源。该方法会先调用tryRelease(arg)方法（同样由子类实现）尝试释放资源。如果tryRelease返回true，代表资源已成功释放，此时会检查等待队列的头节点，如果头节点存在且其waitStatus不为0，就调用unparkSuccessor方法唤醒头节点的后继节点（即等待队列中的下一个线程），被唤醒的线程会再次尝试获取资源。

三、独占模式与共享模式

（一）独占模式（Exclusive Mode）

在独占模式下，同一时间只有一个线程能获取同步状态（例如锁），其他线程必须等待。以ReentrantLock为例，当线程获取同步状态（锁）时，如果成功则进入临界区执行代码；如果失败，线程进入同步队列等待。当持有锁的线程释放锁时，队列中的下一个线程被唤醒并尝试获取锁。独占模式适用于所有只能有一个线程访问临界区的场景，保证了数据的一致性和操作的原子性。

（二）共享模式（Shared Mode）

在共享模式下，多个线程可以同时获取同步状态（如共享资源），允许多个线程并发执行。例如Semaphore（信号量），它的acquire()方法用于争抢资源，release()方法用于释放资源。当多个线程试图获取同步状态时，如果资源充足（state大于0 ），多个线程可以同时获得访问权限；如果资源不足，部分线程进入同步队列等待。当资源释放时，队列中的等待线程可以被唤醒并继续尝试获取资源。共享模式适用于需要允许多个线程同时访问共享资源的场景，提高了资源的利用率和并发性能。

四、条件变量（Condition）

AQS通过ConditionObject类提供了条件等待/通知机制，类似于Object的wait()/notify()机制，但功能更强大。一个AQS对象可以创建多个Condition实例，每个Condition实例都维护了一个等待队列。线程可以调用Condition的await()方法将自己加入到对应的等待队列中并释放持有的锁，进入等待状态；当其他线程调用Condition的signal()方法时，会唤醒等待队列中的一个线程，被唤醒的线程会尝试重新获取锁；调用signalAll()方法则会唤醒等待队列中的所有线程。

五、AQS在实际同步器中的应用

（一）ReentrantLock

ReentrantLock是基于AQS实现的可重入独占锁。它内部有一个抽象类Sync继承自AQS，Sync有两个具体子类FairSync（公平锁）和NonfairSync（非公平锁）。公平锁在获取锁时会检查等待队列中是否有其他线程在排队，按照线程等待的先后顺序分配锁；非公平锁获取锁时先通过CAS尝试获取，不考虑等待队列中的线程，可能会使新线程“插队”获取锁。在加锁时，线程调用lock()方法，实际是调用AQS的acquire(1)方法；解锁时，调用unlock()方法，实际是调用AQS的release(1)方法。