Java并发编程的艺术：深入理解AQS--JVM基础(26)

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在Java并发编程的世界里，AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）是一个核心且强大的组件，它构成了许多并发工具类的基础，比如我们熟知的ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等。今天，我们就来揭开AQS的神秘面纱，探讨它的实现原理、使用注意事项、典型应用场景，以及面试中常见的相关问题，帮助大家在并发编程的道路上更进一步。

AQS概述

AQS是Java并发包中的一个抽象类，它提供了一套基于FIFO队列的线程阻塞等待机制，以及一套可重入的锁实现框架。简单来说，AQS通过维护一个状态变量（state）和一个双向链表（等待队列）来控制并发访问，实现了锁的获取与释放、线程的阻塞与唤醒等功能。

实现原理

在这里插入图片描述

状态管理：AQS内部维护了一个volatile类型的整型变量state，表示同步状态。对于锁而言，当state为0时代表锁未被任何线程持有，大于0则表示有线程持有锁，且值可以用来表示重入次数。
阻塞队列：未获取到锁的线程会被加入到一个双向链表中（CLH队列的一个变种），采用自旋、阻塞、唤醒机制管理线程的等待与唤醒过程。
CAS操作：利用Unsafe类提供的CAS（Compare and Swap）操作，保证了对state变量操作的原子性和高效性。

公平与非公平策略：AQS支持公平锁和非公平锁两种模式。公平锁严格按照FIFO原则分配锁，而非公平锁允许插队，提升吞吐量但可能导致饥饿现象。

//共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性
private volatile int state;
//状态信息通过protected类型的getState，setState，compareAndSetState进行操作. 且为final类型，不允许被子类重写
//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {
        return state;
}
 // 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
}
//原子地（CAS操作）将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

注意事项

内存可见性：由于AQS依赖于volatile变量和CAS操作，因此无需额外的同步措施即可保证状态的内存可见性。
死锁与活锁：虽然AQS提供了高效的同步机制，但不恰当的使用仍可能导致死锁或活锁，特别是在复杂同步场景下需谨慎设计。
性能考量：非公平锁通常能提供更高的吞吐量，但在高竞争环境下可能影响响应时间；公平锁虽保证顺序，但整体效率较低。

应用场景

互斥锁：如ReentrantLock，用于控制多个线程对共享资源的访问，保证同一时刻只有一个线程可以执行临界区代码。
信号量：如Semaphore，用于控制同时访问特定资源的线程数量，常用于限流、池化技术中。
屏障：如CyclicBarrier和CountDownLatch，用于多线程协作，等待所有参与者到达某个点后再继续执行。
条件变量：虽然Java没有直接使用AQS实现条件变量，但类似功能可以通过Condition接口配合锁来实现。

常见面试题

AQS的核心机制是什么？
- 核心在于通过CAS操作维护一个状态变量，并通过一个FIFO队列管理等待线程，实现线程的阻塞与唤醒。
AQS如何处理线程的阻塞与唤醒？
- 未获得锁的线程会进入等待队列并挂起，当锁释放时，会从队列头唤醒一个或多个线程尝试获取锁。
公平锁与非公平锁的区别？
- 公平锁严格按照队列顺序分配锁，保证先到先得；非公平锁允许插队，提高吞吐量但可能牺牲公平性。
如何基于AQS自定义同步器？
- 需要重写tryAcquire、tryRelease（或对应条件变量的方法），定义状态改变逻辑，并正确维护等待队列。