Java 并发基石 AQS

摘要：AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器）是Java并发编程中核心的基础框架，位于java.util.concurrent.locks包下。它为各种同步工具（如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等）提供了统一的底层实现模板，简化了同步器的设计。

AQS的核心思想

AQS的本质是通过一个共享状态（state） 和一个FIFO等待队列，实现对线程的阻塞与唤醒，从而控制多线程对共享资源的访问。

• 共享状态（state）：用volatile int类型的变量表示同步状态（如锁的持有状态、信号量的许可数量等），子类通过getState()、setState()、compareAndSetState()（CAS操作）来安全地修改状态。
• 等待队列：当线程获取资源失败时，会被封装成Node节点加入队列尾部，进入阻塞状态；当资源被释放时，会唤醒队列中的线程重新尝试获取资源。

AQS的核心组件

1. 共享状态（state）

   • 是AQS的核心变量，由volatile修饰保证可见性，通过CAS操作保证修改的原子性。
   • 不同同步工具对state的定义不同：
     • ReentrantLock中，state表示“重入次数”（0表示未锁定，N表示被同一线程重入N次）；
     • Semaphore中，state表示“剩余许可数量”；
     • CountDownLatch中，state表示“剩余计数”。

2. 等待队列（CLH队列）

   • 是一个双向链表，用于存储获取资源失败的线程（阻塞队列）。
   • 每个节点是Node对象，包含：
     • 线程引用（Thread）；
     • 等待状态（waitStatus，如CANCELLED、SIGNAL、CONDITION等）；
     • 前驱节点（prev）和后继节点（next）。
   • 队列特性：FIFO（先进先出），头节点是“已获取资源的线程”，其他节点是“等待资源的线程”。

3. 核心方法
   AQS通过模板方法模式定义了一套通用逻辑，子类只需实现特定抽象方法（钩子方法）即可。核心方法分为两类：

   • 资源获取：

     • 独占模式：acquire(int arg)（获取资源，失败则入队阻塞）；
     • 共享模式：acquireShared(int arg)（多个线程可同时获取资源）。

   • 资源释放：

     • 独占模式：release(int arg)（释放资源，成功则唤醒队列线程）；
     • 共享模式：releaseShared(int arg)。

   子类需实现的钩子方法（根据模式选择）：

   • 独占模式：tryAcquire(int arg)（尝试获取资源）、tryRelease(int arg)（尝试释放资源）；
   • 共享模式：tryAcquireShared(int arg)、tryReleaseShared(int arg)。

AQS的工作流程（以独占模式为例）

1. 获取资源（acquire）：

   • 线程调用acquire(arg)，首先通过tryAcquire(arg)尝试获取资源（具体逻辑由子类实现，如ReentrantLock会检查state是否为0）。
   • 若成功（tryAcquire返回true），直接返回，线程继续执行。
   • 若失败（tryAcquire返回false），则将当前线程封装成Node节点，通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)加入等待队列尾部。
   • 最后调用acquireQueued(Node, arg)，让节点在队列中自旋等待：若前驱节点是头节点，再次尝试tryAcquire；若失败则阻塞当前线程（通过LockSupport.park()）。

2. 释放资源（release）：

   • 线程调用release(arg)，通过tryRelease(arg)尝试释放资源（如ReentrantLock会减少state值，直到0表示完全释放）。
   • 若释放成功（tryRelease返回true），则通过unparkSuccessor(Node)唤醒头节点的后继节点（等待队列中第一个有效线程）。
   • 被唤醒的线程会再次进入自旋，尝试通过tryAcquire获取资源，成功后成为新的头节点，继续执行。

AQS的两种模式

1. 独占模式（Exclusive）

   • 同一时间只有一个线程能获取资源（如ReentrantLock）。
   • 节点在队列中以“独占”模式等待，唤醒时只有一个线程能竞争成功。

2. 共享模式（Shared）

   • 多个线程可同时获取资源（如Semaphore、CountDownLatch）。
   • 节点在队列中以“共享”模式等待，唤醒时可能有多个线程同时成功获取资源（如Semaphore的许可数大于1时）。

AQS的优势

• 统一模板：将同步器的通用逻辑（如队列管理、线程阻塞/唤醒）封装在AQS中，子类只需关注资源的获取/释放逻辑，减少重复代码。
• 高效并发：基于CAS和FIFO队列，避免了传统锁的频繁上下文切换，性能更优。
• 灵活性：支持独占和共享两种模式，可扩展实现各种同步工具。

总结

AQS是Java并发工具的“基石”，它通过共享状态（state）和等待队列，实现了对线程的高效管理。其核心是模板方法模式：子类通过实现tryAcquire等钩子方法定义资源的获取/释放规则，而AQS则负责线程的入队、阻塞、唤醒等通用逻辑。理解AQS是掌握Java并发编程的关键，因为ReentrantLock、Semaphore等常用同步工具均基于它实现。