Java 锁相关详解【六、Java AQS（AbstractQueuedSynchronizer）源码深度解析】

Java AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 源码深度解析

一、AQS 简介

AbstractQueuedSynchronizer（简称 AQS）是 JUC 并发框架的核心基础类，几乎所有常见的并发工具（ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier、ReentrantReadWriteLock 等）都基于 AQS 构建。

它的核心思想是：

• 使用一个整数 state 表示同步状态（0/1 表示锁是否被占用，或表示剩余资源数量）。
• 通过 FIFO 队列（CLH 队列）管理等待线程。
• 提供模板方法，子类只需重写部分方法 即可实现不同的同步器。

AQS 提供了两种模式：

1. 独占模式（Exclusive）：同一时刻只有一个线程能持有资源（如 ReentrantLock）。
2. 共享模式（Shared）：多个线程可同时访问资源（如 Semaphore、CountDownLatch）。

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二、核心数据结构

2.1 state

AQS 内部维护一个 volatile int state，用来表示同步状态：

• 在独占锁中，state=0 表示未加锁，1 表示加锁。
• 在可重入锁中，state 记录加锁次数。
• 在共享锁中，state 可表示剩余许可数量。

更新方式：

• compareAndSetState(int expect, int update)
• getState() / setState()

依赖 CAS 保证线程安全。

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2.2 CLH 队列

AQS 使用 变种 CLH（Craig, Landin, and Hagersten）队列 来管理等待线程。

队列节点：

static final class Node {
    volatile Node prev;    // 前驱节点
    volatile Node next;    // 后继节点
    volatile Thread thread; // 当前节点代表的线程
    volatile int waitStatus; // 节点状态
}

节点状态（waitStatus）：

• 0：默认状态
• SIGNAL=-1：表示后继线程需要被唤醒
• CANCELLED=1：线程取消等待
• CONDITION=-2：表示节点在条件队列中
• PROPAGATE=-3：共享模式下的传播标识

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2.3 模板方法

AQS 提供一系列需要子类实现或重写的模板方法：

• 独占模式：

  • tryAcquire(int arg)
  • tryRelease(int arg)

• 共享模式：

  • tryAcquireShared(int arg)
  • tryReleaseShared(int arg)

• 条件队列支持：

  • isHeldExclusively()

子类只需实现这些方法，线程排队/阻塞/唤醒的逻辑由 AQS 完成。

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三、独占模式源码解析

以 ReentrantLock 为例，内部依赖 AQS 的独占模式。

3.1 获取锁

ReentrantLock.lock() 调用 AQS 的 acquire(int arg)：

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

流程：

1. 尝试直接获取锁（tryAcquire，由子类实现）。
2. 如果失败，加入等待队列（addWaiter）。
3. 在队列中自旋等待，直到前驱节点释放锁。

3.2 释放锁

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：

1. 调用子类实现的 tryRelease，尝试修改 state。
2. 如果释放成功，唤醒后继节点。

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四、共享模式源码解析

以 Semaphore 为例，内部依赖 AQS 的共享模式。

4.1 获取许可

public void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

• tryAcquireShared 返回剩余资源数：

  • >=0：获取成功；
  • <0：获取失败，进入队列。

4.2 释放许可

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

doReleaseShared 会唤醒后继节点，传播共享信号。

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五、条件队列（Condition）

AQS 支持 ConditionObject，实现了 await/signal 机制：

• await()：当前线程释放锁，进入条件队列，等待被唤醒。
• signal()：将条件队列中的一个节点转移到同步队列，准备竞争锁。

这是 synchronized + Object.wait/notify 的显式锁版本。

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六、整体流程图

可以用一个 线程获取独占锁的流程图（Mermaid 表示）：

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七、工程实践与建议

1. 尽量使用现成的并发工具类

   • 不要直接继承 AQS 除非你需要实现新的同步器。

   • 例如：

     • ReentrantLock（独占锁）
     • Semaphore（限流器）
     • CountDownLatch（倒计时器）
     • ReentrantReadWriteLock（读写锁）

2. 理解 AQS，有助于调优

   • ReentrantLock 的公平/非公平模式本质就是 AQS 入队策略的不同。
   • Semaphore 的许可数量就是 AQS 的 state。

3. 避免错误使用

   • 不要直接操作 AQS 的队列或 state，必须通过模板方法。
   • 子类实现需严格保证 state 的正确性。

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八、总结

• AQS 是 JUC 并发工具的核心基石，通过 state + CLH 队列实现线程同步。
• 独占模式：支持互斥锁，如 ReentrantLock。
• 共享模式：支持多线程共享资源，如 Semaphore、CountDownLatch。
• ConditionObject：支持条件队列，实现等待/通知机制。
• 工程实践：优先使用 JUC 提供的工具类，理解 AQS 原理有助于调试与优化。

一句话总结：
掌握 AQS，就等于掌握了 Java 并发框架的心脏。