Java并发-AQS框架原理解析与实现类详解

什么是AQS？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包（JUC）的核心基础框架，它为构建锁和同步器提供了高效、灵活的底层支持。本文将从设计原理、核心机制及典型实现类三个维度展开，帮助读者全面掌握AQS的运作机制与应用场景。

---

一、AQS的核心原理

1. 同步状态管理

AQS通过一个volatile int类型的变量state表示同步状态，并提供以下原子操作方法：

• getState()：获取当前状态值。
• setState(int)：直接设置状态值。
• compareAndSetState(int, int)：通过CAS（比较并交换）原子更新状态。

例如，在ReentrantLock中，state=0表示未加锁，state>0表示锁被占用且记录重入次数；在Semaphore中，state表示可用许可证数量。

2. CLH队列与线程调度

AQS基于CLH（Craig, Landin, Hagersten）锁队列的变种实现线程阻塞与唤醒机制：

• 队列结构：内部维护一个FIFO双向链表，每个节点（Node）封装一个等待线程，包含prev和next指针，以及waitStatus状态（如SIGNAL表示需唤醒后继节点）。
• 阻塞与唤醒：线程获取资源失败时，通过LockSupport.park()阻塞；资源释放时，通过LockSupport.unpark()唤醒队列中的下一个线程。

3. 两种资源共享模式

• 独占模式（Exclusive）：同一时间仅允许一个线程持有资源（如ReentrantLock）。
• 共享模式（Shared）：允许多个线程同时访问资源（如Semaphore、CountDownLatch）。

---

二、AQS的关键组件与设计模式

1. 模板方法模式

AQS通过模板方法定义同步器的核心逻辑，子类需重写以下方法：

• tryAcquire(int)：尝试独占获取资源。
• tryRelease(int)：尝试独占释放资源。
• tryAcquireShared(int)：尝试共享获取资源。
• tryReleaseShared(int)：尝试共享释放资源。

例如，ReentrantLock的Sync类通过重写tryAcquire实现可重入锁的逻辑。

2. 公平性与非公平性

• 公平锁：按线程入队顺序分配资源，通过hasQueuedPredecessors()检查是否有前驱节点。
• 非公平锁：允许新请求的线程“插队”直接尝试获取资源，提高吞吐量但可能导致饥饿。

---

三、AQS的典型实现类

1. 独占锁：ReentrantLock

• 特点：支持可重入，同一线程可多次获取锁（state累加），需等释放次数与获取次数匹配后彻底释放。
• 公平性控制：通过构造函数选择公平或非公平策略。

2. 共享锁：Semaphore

• 功能：控制同时访问资源的线程数。state表示可用许可证数量，acquire()减少许可证，release()增加许可证。

3. 闭锁：CountDownLatch

• 机制：初始化state=N，每个线程执行完成后调用countDown()（state减1），当state=0时唤醒所有等待线程（如主线程）。

4. 读写锁：ReentrantReadWriteLock

• 分离设计：读锁（共享）允许多线程并发读，写锁（独占）互斥写操作，提升高并发场景性能。

5. 循环屏障：CyclicBarrier

• 用途：多线程在屏障点等待，直到所有线程到达后继续执行。AQS管理线程队列，并在条件满足时统一唤醒。

---

四、AQS与内置锁的对比

特性	内置锁（synchronized）	AQS显式锁（如ReentrantLock）
中断支持	不可中断	支持lockInterruptibly()
尝试获取锁	不支持	支持tryLock()
公平性	仅非公平	可配置公平或非公平
条件变量	单一条件队列	支持多个Condition对象
锁释放	自动释放	需手动在finally中释放

（参考）

---

五、总结与最佳实践

AQS通过状态管理、队列调度和模板方法，为Java并发工具提供了高效的基础设施。实际开发中的选择建议：

• 若无特殊需求（如可中断、公平性），优先使用内置锁（JDK6后性能优化显著）。
• 需要高级功能（如超时、条件变量）时，选择基于AQS的显式锁。

示例代码（自定义同步器）：

class CustomSync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        return compareAndSetState(0, 1); // 独占模式，CAS获取锁
    }
    
    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        setState(0); // 释放锁
        return true;
    }
}