Java并发编程之AQS原理

一、AQS 组成

1. 同步状态（state）

• 作用：表示资源的可用状态（如锁的持有次数、信号量的许可数量等）。
• 操作：通过 volatile + CAS（compareAndSetState）保证原子性。
• 示例：
  • ReentrantLock：state=0 表示未锁定，state>0 表示锁定次数。
  • Semaphore：state 表示剩余许可数量。

2. 等待队列

• 结构：双向链表，每个节点封装一个等待线程。
• 节点状态：
  • CANCELLED：线程已取消等待。
  • SIGNAL：当前节点释放资源后需唤醒后继节点。
  • CONDITION：节点在条件队列中等待。
  • PROPAGATE：共享模式下传播唤醒。

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二、AQS 的两种模式

1. 独占模式（Exclusive）

• 特点：同一时刻仅一个线程可获取资源（如 ReentrantLock）。
• 关键方法：
  • acquire(int arg)：获取资源（不可中断）。
  • acquireInterruptibly(int arg)：可中断获取。
  • tryAcquire(int arg)：需子类实现（定义资源获取逻辑）。
  • release(int arg)：释放资源，唤醒后继线程。

2. 共享模式（Shared）

• 特点：多个线程可同时获取资源（如 Semaphore、CountDownLatch）。
• 关键方法：
  • acquireShared(int arg)：获取共享资源。
  • tryAcquireShared(int arg)：需子类实现。
  • releaseShared(int arg)：释放资源并唤醒等待线程。

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三、AQS 工作流程（以独占模式为例）

1. 线程获取资源（acquire）

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&           // 尝试直接获取资源
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 失败则入队阻塞
        selfInterrupt();              // 恢复中断状态
}

• 步骤：
  1. 尝试获取资源：调用子类实现的 tryAcquire。
  2. 入队等待：若失败，将线程封装为 Node 加入队列尾部。
  3. 阻塞线程：通过 LockSupport.park() 挂起线程，等待唤醒。

2. 线程释放资源（release）

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {            // 子类实现释放逻辑
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);       // 唤醒后继节点线程
        return true;
    }
    return false;
}

• 步骤：
  1. 释放资源：调用子类实现的 tryRelease。
  2. 唤醒后继：找到队列中第一个未取消的节点，通过 LockSupport.unpark() 唤醒线程。

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四、AQS 的条件变量（Condition）

通过 ConditionObject 实现类似 wait/notify 的等待/通知机制：

• 条件队列：每个 Condition 维护一个单向链表队列。
• 关键方法：
  • await()：释放锁并加入条件队列。
  • signal()：将条件队列中的节点转移到同步队列，等待获取锁。

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五、AQS 的应用示例

1. 实现不可重入锁

class Mutex implements Lock {
    private final Sync sync = new Sync();

    static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) { // state=0 表示未锁定
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;
        }

        protected boolean tryRelease(int arg) {
            if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0); // 释放锁
            return true;
        }
    }

    // 其他 Lock 接口方法委托给 sync
    public void lock() { sync.acquire(1); }
    public void unlock() { sync.release(1); }
    // ...
}

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