Java AQS（AbstractQueuedSynchronizer）详解

Java AQS（AbstractQueuedSynchronizer）详解

AQS（AbstractQueuedSynchronizer） 是 Java 并发包（java.util.concurrent.locks）的核心基础框架，用于构建锁和其他同步器。ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等同步工具均基于 AQS 实现。

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一、核心设计思想

1. 状态管理
   通过 volatile int state 表示同步状态（如锁的重入次数、信号量的许可数）。

   private volatile int state; // 关键状态变量
   

   提供原子操作修改状态：

   protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {// CAS 操作更新 state
   }
   

2. 等待队列（CLH 变体）

   • 双向链表（FIFO）管理阻塞线程。
   • 节点类型：
     • EXCLUSIVE（独占模式，如 ReentrantLock）
     • SHARED（共享模式，如 Semaphore）

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二、核心结构

// 队列节点定义
static final class Node {volatile int waitStatus;      // 节点状态（CANCELLED、SIGNAL、CONDITION等）volatile Node prev;          // 前驱节点volatile Node next;          // 后继节点volatile Thread thread;      // 关联的线程Node nextWaiter;             // 条件队列或共享模式标记
}

等待状态值：

• CANCELLED (1)：线程已取消
• SIGNAL (-1)：后继节点需被唤醒
• CONDITION (-2)：线程在条件队列中等待
• PROPAGATE (-3)：共享模式下传播唤醒

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三、工作模式

1. 独占模式（Exclusive）

   • 加锁流程：

     public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) &&          // 子类实现尝试获取锁acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 加入队列并阻塞selfInterrupt();
     }
     

     • tryAcquire()：由子类实现（如 ReentrantLock 中判断重入）
     • addWaiter()：将线程包装为节点加入队尾
     • acquireQueued()：自旋或阻塞等待唤醒

   • 解锁流程：

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

2. 共享模式（Shared）

   • 用于信号量、CountDownLatch 等。
   • 核心方法：acquireShared() / releaseShared()
   • 与独占模式区别：唤醒时传播唤醒后续共享节点（如 PROPAGATE 状态）。

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四、关键模板方法

子类必须实现的方法：

方法	作用
boolean tryAcquire(int)	独占模式获取锁
boolean tryRelease(int)	独占模式释放锁
int tryAcquireShared(int)	共享模式获取锁（返回剩余许可数）
boolean tryReleaseShared(int)	共享模式释放锁
boolean isHeldExclusively()	当前线程是否独占资源

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五、自定义锁示例（不可重入锁）

public class SimpleLock extends AbstractQueuedSynchronizer {@Overrideprotected boolean tryAcquire(int arg) {if (compareAndSetState(0, 1)) { // CAS 修改 state: 0->1setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 设置独占线程return true;}return false;}@Overrideprotected boolean tryRelease(int arg) {if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();setExclusiveOwnerThread(null); // 清除独占线程setState(0); // 状态重置为0return true;}public void lock() {acquire(1); // 调用AQS的独占获取}public void unlock() {release(1); // 调用AQS的独占释放}
}

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六、AQS 在 JUC 中的应用

同步器	实现原理
ReentrantLock	独占模式 + state 记录重入次数
Semaphore	共享模式 + state 表示许可数
CountDownLatch	共享模式 + state 表示计数
ReentrantReadWriteLock	读锁共享 + 写锁独占

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七、高级特性

1. 条件变量（Condition）

   • 通过 ConditionObject 实现（内部维护条件队列）。
   • await()：释放锁并进入条件队列。
   • signal()：将节点从条件队列移到同步队列。

2. 中断处理

   • acquireInterruptibly()：支持响应中断的获取锁。

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八、总结

• 核心价值：提供统一的线程排队、阻塞/唤醒机制。
• 关键优势：子类只需关注状态管理逻辑（tryAcquire/tryRelease）。
• 适用场景：构建高性能、可扩展的同步器。

提示：理解 AQS 是掌握 Java 并发编程的关键！建议结合源码（如 ReentrantLock）深入分析队列操作和状态转换。