深入剖析Java并发编程中的AQS原理、源码与实际应用

深入剖析Java并发编程中的AQS原理、源码与实际应用

AQS的核心地位与基本概念

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发编程中一个至关重要的基础框架，它为实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的阻塞锁和相关同步器（如信号量、事件等）提供了一个强大的基础设施。Java并发包（java.util.concurrent.locks）中的许多核心工具，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等，其内部实现都重度依赖于AQS。理解AQS的工作机制，是深入掌握Java高并发编程的关键一步。

AQS的底层原理：同步状态与CLH队列

AQS的核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制，这个机制AQS是用CLH队列锁（一种虚拟的双向队列）实现的，即将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。

AQS使用一个名为state的int类型的volatile成员变量来表示同步状态。通过CAS（Compare-And-Swap）操作来原子性地更新这个状态，从而实现对资源的获取和释放。例如，在ReentrantLock中，state=0表示锁未被任何线程持有，state=1表示锁被一个线程持有，大于1则表示该线程重入了锁。同步器内部依赖一个FIFO的双向队列来完成资源获取线程的排队工作。

AQS的源码结构剖析

AQS的源码结构清晰地划分了其职责。其内部类Node是构成CLH队列的节点，每个等待线程都会被封装成一个Node节点。节点中包含线程引用、等待状态（如CANCELLED、SIGNAL、CONDITION等）以及指向前后节点的指针。

AQS设计采用了模板方法模式，其核心方法可以分为两类：

1. 模板方法： 这些是公开给外部使用的方法，如acquire(int arg)、release(int arg)等。它们定义了获取和释放资源的逻辑骨架，但其内部会调用需要子类实现的钩子方法。

2. 可重写方法： 这些是 protected 方法，需要子类根据具体的同步需求来实现。最重要的是：

• tryAcquire(int arg)：尝试以独占方式获取资源。
• tryRelease(int arg)：尝试释放独占资源。
• tryAcquireShared(int arg)：尝试以共享方式获取资源。
• tryReleaseShared(int arg)：尝试释放共享资源。
• isHeldExclusively()：判断该线程是否正在独占资源。

这种设计使得开发者无需关心复杂的队列维护和线程阻塞/唤醒机制，只需关注对state状态的判定和更新逻辑即可实现一个自定义的同步器。

从源码看独占式锁的获取与释放：以acquire为例

我们以独占模式下获取资源的入口方法acquire(int arg)为例，深入其源码逻辑：

public final void acquire(int arg) {    if (!tryAcquire(arg) &&        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))        selfInterrupt();}

该方法遵循一个非常经典且精炼的流程：

第一步： 调用子类实现的tryAcquire(arg)方法尝试直接获取资源。如果成功，则方法直接返回，线程继续执行。

第二步： 如果尝试获取失败，则通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法，以独占模式（EXCLUSIVE）将当前线程包装成一个新的Node节点，并采用CAS操作快速地将该节点插入到CLH队列的尾部。

第三步： 调用acquireQueued(final Node node, int arg)方法，让这个节点在队列中自旋（或阻塞）地等待获取资源。在此方法中，节点会不断检查自己的前驱节点是否为头节点（head），如果是，则再次尝试tryAcquire(arg)。如果成功获取资源，则将自己设为新的头节点并返回。如果不是头节点或获取失败，则会根据前驱节点的状态判断是否应该挂起（park）当前线程，以避免不必要的CPU循环。如果线程在等待过程中被中断，acquireQueued方法会返回true。

第四步： 如果acquireQueued返回true，表示线程在等待过程中被中断过，此时调用selfInterrupt()方法补上一个中断标志，但不抛出InterruptedException，这符合锁的不可中断获取语义。

释放资源的过程（release）则相对简单：调用子类的tryRelease成功释放资源后，它会唤醒（unpark）队列中头节点的后继节点，使其有机会尝试获取资源。

AQS的实际应用：构建自定义同步器

通过继承AQS并实现其保护方法，我们可以轻松构建自定义的同步工具。例如，我们可以实现一个简单的二元闭锁（类似CountDownLatch，但不可重置）：

public class OneShotLatch {    private final Sync sync = new Sync();    public void signal() {        sync.releaseShared(0);    }    public void await() throws InterruptedException {        sync.acquireSharedInterruptibly(0);    }    private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {        @Override        protected int tryAcquireShared(int ignored) {            // 状态为1表示门闩已开放，允许通过（成功获取）；-1表示需要排队等待。            return (getState() == 1) ? 1 : -1;        }        @Override        protected boolean tryReleaseShared(int ignored) {            setState(1); // 打开门闩            return true; // 其他等待的线程现在可以成功获取了        }    }}

在这个例子中，初始状态state为0。调用await()的线程会尝试以共享模式获取资源，tryAcquireShared发现state不为1，返回-1表示失败，线程将被加入队列并阻塞。当某个线程调用signal()时，会调用tryReleaseShared将state置为1，并唤醒队列中所有等待的线程。被唤醒的线程再次尝试tryAcquireShared，此时返回1，获取成功，所有等待线程得以继续执行。这个例子清晰地展示了如何利用AQS的共享模式来实现一个同步工具。

总结

AQS作为Java并发包的基石，其精巧的设计将复杂的同步器实现简化为对同步状态的管理。通过深入理解其基于CLH队列的线程排队机制、状态管理以及模板方法模式的应用，开发者不仅能够更好地使用Java内置的并发工具，还能在遇到特殊业务场景时，有能力构建高效、可靠的自定义同步组件，从而解决复杂的并发控制问题。它是每个Java高级开发者必须掌握的底层核心技术之一。