Java 并发核心：AQS（AbstractQueuedSynchronizer） 详解

一、什么是 AQS？

AbstractQueuedSynchronizer（简称 AQS）是 Java 并发包 java.util.concurrent.locks 中的一个核心同步框架，用于构建锁和同步器，如：

• ReentrantLock
• ReentrantReadWriteLock
• CountDownLatch
• Semaphore
• FutureTask

AQS 通过一个FIFO 双向等待队列（CLH 队列）管理线程的同步状态，使开发者可以专注于同步逻辑，而不必关注线程的调度、阻塞、唤醒等底层细节。

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二、AQS 的核心设计

1. 核心成员变量

private volatile int state;       // 同步状态
private transient Node head;      // 队列头节点
private transient Node tail;      // 队列尾节点

• state：用来表示资源的占用状态（例如是否被锁定、可用信号量数等）；
• head 和 tail：维护一个 CLH 等待队列，用于管理阻塞的线程。

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2. 核心方法（模板方法）

AQS 提供一系列模板方法用于子类实现：

// 共享模式
protected int tryAcquireShared(int arg);
protected boolean tryReleaseShared(int arg);

// 独占模式
protected boolean tryAcquire(int arg);
protected boolean tryRelease(int arg);

子类需要实现这些方法，以控制对资源的获取与释放逻辑。

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三、AQS 工作流程

1. 获取锁（以独占模式为例）

lock.lock() → tryAcquire() 尝试获取 → 获取失败 → 加入 CLH 队列 → park（阻塞）→ 被唤醒时再次尝试

流程：

1. 调用 tryAcquire() 尝试获取资源；
2. 如果失败，则将当前线程封装为 Node 加入等待队列；
3. 阻塞（park）当前线程；
4. 资源释放后，唤醒下一个等待线程。

2. 释放锁

unlock() → tryRelease() 成功 → 唤醒队列中下一个线程

• tryRelease() 将 state 设置为 0；
• 然后调用 unparkSuccessor() 唤醒下一个线程。

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四、独占模式 vs 共享模式

模式	描述
独占模式	同一时刻只能有一个线程访问，如 ReentrantLock
共享模式	多个线程可以共享资源，如 Semaphore、CountDownLatch

AQS 区分这两种模式，并分别处理入队、出队、唤醒等逻辑。

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五、CLH 队列机制

AQS 使用一种变体的 CLH（Craig–Landin–Hagersten）同步队列 实现线程排队。

队列结构：

head -> Node1 -> Node2 -> ... -> tail

• 每个节点是一个线程的等待快照；
• 新线程失败后加入尾部，前驱释放时唤醒后继；
• 自旋或 park 阻塞等待。

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六、典型用法示例

自定义锁的基本写法

class MyLock extends AbstractQueuedSynchronizer {
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        return compareAndSetState(0, 1);
    }

    protected boolean tryRelease(int arg) {
        setState(0);
        return true;
    }

    public void lock() {
        acquire(1); // 内部调用 tryAcquire + 入队逻辑
    }

    public void unlock() {
        release(1);
    }
}

CountDownLatch 原理

• 使用共享模式；
• 每次 countDown() 执行 releaseShared(-1)；
• await() 会在 state = 0 前阻塞。

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七、AQS 的优点

优点	说明
封装阻塞逻辑	使用 LockSupport 封装了 park/unpark
可复用性强	模板方法模式，便于自定义同步器
队列高效	FIFO 队列实现公平性，性能稳定
支持两种模式	支持共享和独占资源控制

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八、注意点 & 问题排查

1. 死锁：一定要在 try...finally 中释放锁；
2. state 状态：设计时需合理设置 state 的含义（计数、二进制等）；
3. CLH 队列泄露：释放时未正确调用 unpark 会导致阻塞线程永久等待；
4. 性能瓶颈：高并发下需注意锁竞争，考虑使用 StampedLock 或乐观锁优化。

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九、AQS 应用类汇总

类名	模式	简介
ReentrantLock	独占	可重入、可中断、公平/非公平
Semaphore	共享	控制资源访问数目
CountDownLatch	共享	等待所有任务完成
ReentrantReadWriteLock	共享 + 独占	高效读写分离
FutureTask	独占	控制异步任务状态
AbstractQueuedSynchronizer	基类	框架级同步器

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十、总结

• AQS 是构建 Java 同步工具的核心；
• 通过队列管理线程阻塞与唤醒；
• 使用模板方法封装了多种模式；
• 掌握 AQS = 掌握 Java 并发的核心原理。

补充：AQS 源码流程图解析 + ReentrantLock 实战源码

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一、AQS 获取锁（acquire）源码流程

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

流程图解：

             acquire()
                 │
         ┌───────┴────────┐
         ↓                ↓
  tryAcquire()     // 自定义尝试获取
   (成功返回true)     (失败)
         ↓                ↓
        return      addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
                          ↓
                入队列构造双向链表
                          ↓
              acquireQueued(node, arg)
                          ↓
               while(前驱不是head || 不能获取锁)
                     ↓        ↓
                  park()   tryAcquire()
                          ↓
               获取成功 → 设置head → unpark下一个

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二、AQS 释放锁（release）源码流程

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

流程图解：

            release()
                │
          tryRelease()
                │
          是否成功释放？
             ↓   ↑
           true  false
             ↓
          获取 head
             ↓
     唤醒下一个节点（unpark）

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三、ReentrantLock 是怎么用 AQS 实现的？

源码结构简图：

public class ReentrantLock implements Lock {
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 核心逻辑都在此子类中
    }
    final Sync sync;
}

ReentrantLock 的两个实现版本：

类型	类名	特点
非公平锁（默认）	NonfairSync	直接尝试获取锁，抢占式，性能好
公平锁	FairSync	排队获取，按顺序，不插队，公平但慢一些

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tryAcquire 的实现（非公平锁）

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 尝试直接 CAS 获取锁
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 可重入，加重入次数
        int nextc = c + acquires;
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

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tryRelease 的实现

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

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四、AQS 线程状态控制核心机制：LockSupport

AQS 底层通过 LockSupport.park() 和 unpark(thread) 来挂起/唤醒线程：

• park()：当前线程阻塞，等待被唤醒；
• unpark(Thread t)：唤醒指定线程；
• 这种控制机制替代了传统的 wait/notify，更灵活、底层、性能好。

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五、总结：如何理解 AQS 的强大之处？

特性	说明
模板方法设计	只需实现 tryAcquire 和 tryRelease，其他线程队列处理由 AQS 自动完成
双模式支持	支持共享与独占两种访问模型
高可复用性	可构建多种同步组件（锁、信号量、栅栏等）
高性能	结合 CAS、自旋、队列挂起唤醒机制
阻塞线程管理	使用 LockSupport 精细控制线程挂起与恢复