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前言
在多线程编程中，锁是保证线程安全的重要工具。Java提供了丰富的锁机制，其中AbstractQueuedSynchronizer（AQS）作为并发包的核心基础框架，支撑了ReentrantLock、CountDownLatch等众多同步器的实现。今天，我将带领大家深入AQS内部，从零开始实现一个简单的互斥锁，通过实战来理解AQS的工作原理。
AQS核心原理回顾
在开始编码之前，我们先简要回顾AQS的核心机制。AQS通过一个FIFO队列来管理获取锁失败的线程，并通过一个volatile的state变量来表示同步状态。其核心思想是：
-
当线程尝试获取锁时，如果state表示锁可用，则获取成功
-
如果锁已被占用，则将当前线程封装为Node节点加入队列等待
-
当前驱节点释放锁时，会唤醒后继节点重新尝试获取
简单互斥锁的实现
下面我们基于AQS实现一个最简单的不可重入互斥锁Mutex：
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
public class Mutex implements Lock {
// 内部同步器，继承AQS
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 尝试获取锁：state为0表示未锁定，1表示已锁定
@Override
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
// 使用CAS操作尝试将state从0改为1
if (compareAndSetState(0, 1)) {
// 成功设置state为1，表示获取锁成功
// 设置当前线程为独占所有者
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
// 尝试释放锁
@Override
protected boolean tryRelease(int releases) {
// 检查当前线程是否持有锁
if (getState() == 0 || !isHeldExclusively()) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
// 清除独占所有者
setExclusiveOwnerThread(null);
// 将state设置为0，不需要CAS因为只有持有者能释放
setState(0);
return true;
}
// 判断当前线程是否独占资源
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
}
private final Sync sync = new Sync();
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
// 其他Lock接口方法的简单实现...
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long timeout, java.util.concurrent.TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
}核心方法深度解析
tryAcquire方法
tryAcquire是获取锁的核心方法，其实现体现了AQS的精妙之处：
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}这里使用了CAS（Compare-And-Swap）操作，这是一个原子操作，确保在多线程环境下只有一个线程能够成功将state从0改为1。CAS的原子性是通过底层CPU指令保证的，是现代并发编程的基石。
tryRelease方法
tryRelease方法负责释放锁：
protected boolean tryRelease(int releases) {
if (getState() == 0 || !isHeldExclusively()) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(0);
return true;
}注意这里释放锁时不需要使用CAS操作，因为只有持有锁的线程才能调用释放方法，不存在竞争条件。
Mutex工作流程详解
让我们通过一个时序图来理解Mutex的完整工作流程：
与ReentrantLock的对比
我们实现的简单Mutex与JDK中的ReentrantLock相比，缺少了几个重要特性：
1. 可重入性
ReentrantLock支持同一个线程多次获取同一把锁，内部通过记录重入次数来实现。而我们的Mutex如果同一个线程连续调用两次lock()会导致死锁。
2. 公平性选项
ReentrantLock提供了公平锁和非公平锁两种模式：
-
公平锁：按照线程请求的顺序分配锁
-
非公平锁：允许插队，可能提高吞吐量
我们的Mutex实现的是非公平锁。
3. 条件变量支持
ReentrantLock可以创建多个Condition对象，实现精细的线程等待/通知机制。
4. 中断处理
ReentrantLock提供了更完善的中断处理机制。
性能优化思考
在实际生产环境中，我们可以基于这个基础版本进行多种优化：
自旋优化
在加入等待队列前，可以让线程短暂自旋，避免线程切换的开销：
// 简化的自旋尝试
for (int i = 0; i < MAX_SPINS; i++) {
if (tryAcquire(1)) {
return;
}
}
// 自旋失败后加入队列状态预测
可以根据历史数据预测锁的持有时间，决定是否直接入队还是先自旋。
实战应用场景
虽然我们的Mutex功能简单，但在特定场景下仍有应用价值：
-
教学演示：清晰地展示锁的基本原理
-
性能测试基准：作为对比基准测试更复杂锁的性能
-
定制化需求：在某些需要极简实现的场景中使用
总结
通过实现这个简单的Mutex，我们深入理解了AQS的核心工作机制：
-
AQS通过state变量管理同步状态
-
CAS操作保证了状态变更的原子性
-
CLH队列管理等待线程，避免忙等待
-
模板方法模式让使用者只需关注核心逻辑
这个实战例子不仅帮助我们理解了Java并发包的底层原理，更重要的是培养了分析复杂系统时"由简入繁"的思维方式。在后续的学习中，我们可以基于这个基础，逐步理解更复杂的同步器实现。
理解AQS不仅对使用Java并发工具有帮助，更重要的是它提供了一种设计高并发组件的思路和模式，这种思想可以应用到各种编程语言和系统的设计中。
扩展思考
-
如何在这个基础上实现可重入功能？
-
如何实现公平锁版本？
-
如何添加条件变量支持？
-
在分布式环境中，如何实现类似的互斥锁？
这些问题留给读者进一步思考和探索，希望本文能为你的并发编程之旅提供一个坚实的起点。
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