AQS源码解析

最新推荐文章于 2025-05-08 12:25:23 发布

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分类专栏：多线程文章标签：多线程 java

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本文深入解析了Java并发库中的AbstractQueuedSynchronizer（AQS），它是ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等同步组件的基础。AQS通过volatile变量state和双指针管理同步等待队列，并利用CAS（Compare And Swap）操作保证线程安全。CAS是一个CPU原语，用于在无锁情况下更新state值，避免了锁的开销。同时，文章还介绍了如何通过Unsafe类的getAndAddInt方法解决ABA问题。

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简介

AbstractQueuedSynchronizer，简称AQS。它为java.util.conturrent包下的常用同步组件，比如ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock 等提供了基础支撑。AQS的子类如下图所示。
继承AQS的类

AQS的内部结构

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
        extends AbstractOwnableSynchronizer
        implements java.io.Serializable {

    // 同步等待队列的头指针
    private transient volatile Node head;
    // 同步等待队列的尾指针
    private transient volatile Node tail;
    /**
     * 同步器的状态。根据不同是实现有不同的含义，是AQS的核心。
     * 比如 ReentrantLock 用这个state的值代表是否被加锁和重入的次数
     */
    private volatile int state;
    
    // 同步等待队列节点的定义
    static final class Node {
        // 头指针
        volatile Node prev;
        // 尾指针
        volatile Node next;
        // 节点中存放一个线程的引用
        volatile Thread thread;

        // ... 省略部分代码...
    }

	// CAS操作进行修改 state 的值
	protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
    }

    // ... 省略部分代码...
}

从代码中可以看出，AQS的内部有一个 volatile 声明的 state 和两个指针，指向了AQS等待队列的头部和尾部。其结构大致如图：
AQS内部结构

AQS原理解析

CAS + volatile
从上面的图中，我们可以看出来，AQS就是多个线程去竞争一个 state 占有权的一个类，state用 volatile修饰，是为了保证线程间可见，然后线程在竞争 state 的时候，用CAS操作保证了对 state 修改的原子性。
CAS原理

// Unsafe.class 类中 compareAndSwapInt 的定义
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

从定义中我们可以看到，CAS方法是一个 native 方法，也就是说CAS操作是CPU原语支持的，保证了线程安全。

cas(Value, Offset, Expected, NewValue)
	if  Value== Expected
		Value = NewValue
	otherwise try again or fail

大概的意思就是当前值（Value)是我们期望的那个值（Expected)，没有被其他线程修改过，那么就将它改为新的值（NewValue)，否则重试或者失败。为了防止ABA问题（即一个线程将值从A改为B，然后另一个线程又将值从B改为A，这会让我们当前线程以为没有被其他线程操作过，这种ABA问题对于基本数据类型而言，结果没有什么影响，但是对于复杂的引用对象而言，我们是不知道这个对象内部是否被其他线程操作过什么的。为了解决这个问题，解决方案是为这个值带一个 Offset，值每被修改一次，这个Offset就修改一次，我们用 Value + Offset 的方式避免了 ABA 问题的出现）

我们可以从 Unsafe 类中的 getAndAddInt 来体会一下 ABA 问题的解决方案：

	// Unsafe.class
	
    /**
     * 当对象o的值 和对象o在 给定offset偏移量（版本）下的值相同时，将当前对象设置为 o + delta
     * @param o 当前对象
     * @param offset 偏移量（版本）
     * @param delta 要add的值
     * @return  int 添加后的结果
     */
    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            // 获取对象o在给定offset偏移量（版本）下的值
            v = getIntVolatile(o, offset);
        } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }