AQS 抽象队列同步器 资源竞争-排队等待

目录

一、AQS的核心作用

二、AQS的核心组件

1. 同步状态（state）

2. 等待队列（CLH队列）

节点状态（waitStatus）的关键值：

三、AQS的两种工作模式

1. 独占模式（Exclusive Mode）

独占模式的获取流程（以acquire(1)为例）：

独占模式的释放流程（以release(1)为例）：

2. 共享模式（Shared Mode）

共享模式的获取流程（以acquireShared(1)为例）：

共享模式的释放流程（以releaseShared(1)为例）：

四、AQS的模板方法与钩子方法

1. 模板方法（AQS已实现，子类直接使用）：

2. 钩子方法（子类按需实现，默认抛出异常）：

五、基于AQS的典型同步工具

六、总结

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AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器）是Java并发包（java.util.concurrent）的核心组件，是实现几乎所有同步工具（如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等）的基础框架。它通过统一的模板方法和钩子方法，简化了同步器的开发，同时保证了高效的并发控制。

一、AQS的核心作用

AQS的本质是提供了一种“资源竞争-排队等待”的通用机制：

• 当线程竞争共享资源时，通过原子操作（CAS）尝试获取资源；
• 若获取失败，线程会被包装成节点（Node），加入一个FIFO（先进先出）的等待队列中阻塞等待；
• 当资源被释放时，队列中的线程会按顺序被唤醒，再次尝试获取资源。

简单说，AQS就像一个“交通指挥系统”：资源是“路口”，线程是“车辆”，AQS负责指挥车辆“抢道”和“排队”。

二、AQS的核心组件

AQS的功能依赖两个核心要素：同步状态（state） 和 等待队列（CLH队列）。

1. 同步状态（state）

• 定义：AQS用一个volatile int state变量表示共享资源的状态（如“是否被占用”“剩余资源数量”等），其值的具体含义由子类（同步工具）定义。
• 原子性保证：state的修改通过CAS操作（compareAndSetState）保证原子性，结合volatile的可见性，确保多线程对state的操作是线程安全的。
• 示例：

• • 在ReentrantLock中，state=0表示锁未被占用，state>0表示被占用（值为重入次数）；
  • 在Semaphore中，state表示剩余的许可数量（可同时访问的线程数）。

2. 等待队列（CLH队列）

当线程获取资源失败时，会被封装成一个Node节点，加入到FIFO的等待队列中。队列的结构类似链表，每个节点包含以下核心信息：

• Thread thread：当前等待的线程；
• int waitStatus：节点状态（决定线程是否需要唤醒、是否已取消等）；
• Node prev/Node next：前驱和后继节点（构成双向链表）。

节点状态（waitStatus）的关键值：

• CANCELLED（1）：节点对应的线程已取消等待（如超时或被中断），会从队列中移除；
• SIGNAL（-1）：当前节点的后继节点需要被唤醒（当前节点释放资源后，需通知后继节点）；
• CONDITION（-2）：节点处于条件队列中（用于Condition接口）；
• PROPAGATE（-3）：共享模式下，资源释放会向后传播（唤醒多个节点）；
• 0：初始状态。

三、AQS的两种工作模式

AQS支持两种资源访问模式，子类可根据需求选择实现：独占模式和共享模式。

1. 独占模式（Exclusive Mode）

• 特点：资源只能被一个线程独占（如锁），其他线程必须等待。
• 核心操作：

• • 获取资源：acquire(int arg)（模板方法）；
  • 释放资源：release(int arg)（模板方法）。

独占模式的获取流程（以acquire(1)为例）：

1. 调用tryAcquire(1)（钩子方法，子类实现）：尝试获取资源（如修改state）。

• • 若成功，直接返回（线程获取到资源）；
  • 若失败，进入下一步。

1. 失败的线程被包装成Node节点，通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)加入等待队列尾部。
2. 调用acquireQueued(Node node, int arg)：节点在队列中“自旋+阻塞”，直到被前驱节点唤醒后，再次尝试tryAcquire。

• • 若期间线程被中断，会记录中断状态，待获取资源后再处理（不响应中断，除非用acquireInterruptibly）。

独占模式的释放流程（以release(1)为例）：

1. 调用tryRelease(1)（钩子方法，子类实现）：尝试释放资源（如修改state）。

• • 若释放成功，进入下一步；
  • 若失败，直接返回。

1. 唤醒等待队列中“最前面”的有效节点（通过unparkSuccessor方法，唤醒后继节点的线程）。

2. 共享模式（Shared Mode）

• 特点：资源可被多个线程同时获取（如信号量、计数器）。
• 核心操作：

• • 获取资源：acquireShared(int arg)（模板方法）；
  • 释放资源：releaseShared(int arg)（模板方法）。

共享模式的获取流程（以acquireShared(1)为例）：

1. 调用tryAcquireShared(1)（钩子方法，子类实现）：尝试获取资源（返回值含义：>0表示成功且有剩余资源；0表示成功但无剩余；<0表示失败）。

• • 若返回值≥0，获取成功，直接返回；
  • 若返回值<0，进入下一步。

1. 失败的线程被包装成Node节点，通过addWaiter(Node.SHARED)加入等待队列。
2. 调用doAcquireShared(Node node)：节点在队列中阻塞等待，被唤醒后再次尝试tryAcquireShared。若成功，会继续唤醒后续节点（因为共享模式允许多个线程获取）。

共享模式的释放流程（以releaseShared(1)为例）：

1. 调用tryReleaseShared(1)（钩子方法，子类实现）：尝试释放资源（如增加state）。

• • 若释放成功，进入下一步；
  • 若失败，直接返回。

1. 唤醒等待队列中的节点（可能唤醒多个，因为共享模式下多个线程可同时获取）。

四、AQS的模板方法与钩子方法

AQS通过模板方法定义了同步操作的整体流程（如获取/释放资源的步骤），并将具体的资源竞争逻辑（如何修改state）交给子类通过钩子方法实现。这种设计既保证了流程的统一性，又保留了灵活性。

1. 模板方法（AQS已实现，子类直接使用）：

• 独占模式：acquire()、acquireInterruptibly()（响应中断）、tryAcquireNanos()（超时）、release()；
• 共享模式：acquireShared()、acquireSharedInterruptibly()、tryAcquireSharedNanos()、releaseShared()。

2. 钩子方法（子类按需实现，默认抛出异常）：

• 独占模式：

• • tryAcquire(int arg)：尝试获取独占资源（返回true表示成功）；
  • tryRelease(int arg)：尝试释放独占资源（返回true表示成功）。

• 共享模式：

• • tryAcquireShared(int arg)：尝试获取共享资源（返回值≥0表示成功）；
  • tryReleaseShared(int arg)：尝试释放共享资源（返回true表示成功）。

• 其他：isHeldExclusively()（判断当前线程是否独占资源，用于Condition）。

五、基于AQS的典型同步工具

AQS是Java并发工具的“基石”，以下是常见实现：

同步工具	模式	state含义	核心逻辑
ReentrantLock	独占模式	锁的重入次数（0=未占用）	tryAcquire：state=0时CAS抢占，state>0时判断是否当前线程（支持重入）；tryRelease：减少state至0时释放。
Semaphore	共享模式	剩余许可数量	tryAcquireShared：减少许可（≥0成功）；tryReleaseShared：增加许可。
CountDownLatch	共享模式	计数器值（初始为N）	tryAcquireShared：计数器=0时成功；tryReleaseShared：计数器减1（至0时唤醒所有等待线程）。
ReentrantReadWriteLock	混合模式	高16位=读锁计数，低16位=写锁重入次数	读锁（共享）：增加读计数；写锁（独占）：抢占并设置写计数。

六、总结

AQS通过“同步状态（state）+ 等待队列（CLH队列）”的核心设计，结合CAS原子操作和模板方法模式，为同步工具提供了高效、通用的实现框架。其核心价值在于：

1. 统一了同步工具的竞争与等待逻辑，减少重复开发；
2. 基于FIFO队列和CAS，保证了并发控制的高效性和公平性（可选）；
3. 支持独占和共享两种模式，覆盖了绝大多数同步场景。

理解AQS是掌握Java并发编程的关键，无论是使用现有工具还是自定义同步器，都需要深入理解其“资源竞争-排队唤醒”的底层逻辑。