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Java中的AQS入門攻略

更新時(shí)間：2025年10月22日 11:17:26 作者：程序員小假

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是JUC包中用于構(gòu)建鎖和同步器的核心框架,它通過volatile的state變量和FIFO隊(duì)列實(shí)現(xiàn)線程同步,簡(jiǎn)化了同步工具的開發(fā),并支持獨(dú)占與共享兩種模式,本文介紹Java中的AQS是什么,感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧

一、AQS 是什么？

AQS，全稱 AbstractQueuedSynchronizer，即抽象隊(duì)列同步器。

抽象：它是一個(gè)抽象類，本身不能直接實(shí)例化，需要子類去繼承它，并實(shí)現(xiàn)其保護(hù)方法來管理同步狀態(tài)。
隊(duì)列：它內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）的等待隊(duì)列，用于存放那些沒有搶到鎖的線程。
同步器：它是構(gòu)建鎖和其他同步組件（如 Semaphore、CountDownLatch 等）的基礎(chǔ)框架。

核心思想：
AQS 使用一個(gè)整型的 volatile 變量（state）來表示同步狀態(tài)（例如，鎖被重入的次數(shù)、許可的數(shù)量等），并通過一個(gè)內(nèi)置的 FIFO 隊(duì)列來完成資源獲取線程的排隊(duì)工作。

設(shè)計(jì)模式：
AQS 是 模板方法模式 的經(jīng)典應(yīng)用。父類（AQS）定義了骨架和核心算法，而將一些關(guān)鍵的操作以 protected 方法的形式留給子類去實(shí)現(xiàn)。這樣，實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義同步器只需要關(guān)注如何管理 state 狀態(tài)即可，至于線程的排隊(duì)、等待、喚醒等復(fù)雜操作，AQS 已經(jīng)幫我們完成了。

二、AQS 的核心結(jié)構(gòu)

AQS 的核心可以概括為三部分：同步狀態(tài)（state）、等待隊(duì)列 和 條件隊(duì)列。

1. 同步狀態(tài)（State）

這是一個(gè) volatile int 類型的變量，是 AQS 的靈魂。

private volatile int state;

它的具體含義由子類決定，非常靈活：

在 ReentrantLock 中，state 表示鎖被同一個(gè)線程重復(fù)獲取的次數(shù)。state=0 表示鎖空閑，state=1 表示鎖被占用，state>1 表示鎖被重入。
在 Semaphore 中，state 表示當(dāng)前可用的許可數(shù)量。
在 CountDownLatch 中，state 表示計(jì)數(shù)器當(dāng)前的值。

對(duì) state 的操作是原子的，通過 getState(), setState(int newState), compareAndSetState(int expect, int update) 等方法進(jìn)行。

2. 等待隊(duì)列（CLH 隊(duì)列的變體）

這是一個(gè)雙向鏈表，是 AQS 實(shí)現(xiàn)阻塞鎖的關(guān)鍵。當(dāng)線程請(qǐng)求共享資源失敗時(shí)，AQS 會(huì)將當(dāng)前線程以及等待狀態(tài)等信息構(gòu)造成一個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node） 并將其加入隊(duì)列的尾部，同時(shí)阻塞該線程。

頭節(jié)點(diǎn)（Head）：指向獲取到資源的線程所在的節(jié)點(diǎn)。頭節(jié)點(diǎn)不持有線程，是一個(gè)“虛節(jié)點(diǎn)”。
尾節(jié)點(diǎn)（Tail）：指向隊(duì)列中最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)一個(gè)線程釋放資源時(shí)，它會(huì)喚醒后繼節(jié)點(diǎn)，后繼節(jié)點(diǎn)成功獲取資源后，會(huì)將自己設(shè)置為新的頭節(jié)點(diǎn)。

主要原理圖如下：

AQS 使用一個(gè) Volatile 的 int 類型的成員變量來表示同步狀態(tài)，通過內(nèi)置的 FIFO 隊(duì)列來完成資源獲取的排隊(duì)工作，通過 CAS 完成對(duì) State 值的修改。

3. 條件隊(duì)列（Condition Object）

AQS 內(nèi)部類 ConditionObject 實(shí)現(xiàn)了 Condition 接口，用于支持 await/signal 模式的線程間協(xié)作。每個(gè) ConditionObject 對(duì)象都維護(hù)了一個(gè)自己的單向鏈表（條件隊(duì)列）。

當(dāng)線程調(diào)用 Condition.await() 時(shí)，會(huì)釋放鎖，并將當(dāng)前線程構(gòu)造成節(jié)點(diǎn)加入條件隊(duì)列，然后阻塞。
當(dāng)線程調(diào)用 Condition.signal() 時(shí)，會(huì)將條件隊(duì)列中的第一個(gè)等待節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 AQS 的等待隊(duì)列中，等待重新獲取鎖。

注意：一個(gè) AQS 實(shí)例可以對(duì)應(yīng)多個(gè) Condition 對(duì)象（即多個(gè)條件隊(duì)列），但只有一個(gè)等待隊(duì)列。

三、AQS 的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵方法

AQS 將資源獲取的方式分為兩種：

獨(dú)占模式（Exclusive）：一次只有一個(gè)線程能執(zhí)行，如 ReentrantLock。
共享模式（Shared）：多個(gè)線程可以同時(shí)執(zhí)行，如 Semaphore、CountDownLatch。

AQS 提供了頂層的入隊(duì)和出隊(duì)邏輯，而將嘗試獲取資源和嘗試釋放資源的具體策略留給了子類。

需要子類重寫的關(guān)鍵方法（Protected）

這些方法在 AQS 中是 protected 的，默認(rèn)拋出 UnsupportedOperationException。

獨(dú)占模式：

boolean tryAcquire(int arg)：嘗試以獨(dú)占方式獲取資源。成功返回 true，失敗返回 false。
boolean tryRelease(int arg)：嘗試以獨(dú)占方式釋放資源。成功返回 true，失敗返回 false。

共享模式：

int tryAcquireShared(int arg)：嘗試以共享方式獲取資源。負(fù)數(shù)表示失敗；0 表示成功，但后續(xù)共享獲取可能失??；正數(shù)表示成功，且后續(xù)共享獲取可能成功。
boolean tryReleaseShared(int arg)：嘗試以共享方式釋放資源。

其他：

boolean isHeldExclusively()：當(dāng)前同步器是否在獨(dú)占模式下被線程占用。在 Condition 相關(guān)操作中會(huì)用到。

供外部調(diào)用的重要方法（Public）

這些是模板方法，子類一般不重寫，使用者（或子類）直接調(diào)用。

獨(dú)占模式：

void acquire(int arg)：以獨(dú)占模式獲取資源，忽略中斷。如果獲取失敗，會(huì)進(jìn)入等待隊(duì)列。
void acquireInterruptibly(int arg)：同上，但響應(yīng)中斷。
boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)：在 acquireInterruptibly 基礎(chǔ)上增加了超時(shí)限制。
boolean release(int arg)：以獨(dú)占模式釋放資源。

共享模式：

void acquireShared(int arg)：以共享模式獲取資源。
void acquireSharedInterruptibly(int arg)：響應(yīng)中斷的共享獲取。
boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)：帶超時(shí)的共享獲取。
boolean releaseShared(int arg)：以共享模式釋放資源。

四、源碼級(jí)工作流程解析（以acquire為例）

我們來看一下最核心的 acquire 方法，它展示了 AQS 的完整工作流程：

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && // 1. 嘗試直接獲取資源（子類實(shí)現(xiàn)）
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 2. 獲取失敗，則加入隊(duì)列；3. 在隊(duì)列中自旋/阻塞等待
        selfInterrupt(); // 如果在等待過程中被中斷，補(bǔ)上中斷標(biāo)記
}

tryAcquire(arg)：
- 這是子類實(shí)現(xiàn)的方法。比如在 ReentrantLock 的非公平鎖實(shí)現(xiàn)中，它會(huì)直接嘗試使用 CAS 修改 state，如果成功，就將當(dāng)前線程設(shè)置為獨(dú)占線程。
- 如果 tryAcquire 成功，整個(gè) acquire 方法就結(jié)束了，線程繼續(xù)執(zhí)行。
- 如果失敗，進(jìn)入下一步。
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：
- 創(chuàng)建一個(gè)代表當(dāng)前線程的 Node 節(jié)點(diǎn)，模式為獨(dú)占模式（Node.EXCLUSIVE）。
- 通過 CAS 操作，快速地將這個(gè)新節(jié)點(diǎn)設(shè)置為尾節(jié)點(diǎn)。如果失敗，則進(jìn)入 enq(node) 方法，通過自旋 CAS 的方式確保節(jié)點(diǎn)被成功添加到隊(duì)列尾部。
acquireQueued(final Node node, int arg)：
- 這是核心中的核心。節(jié)點(diǎn)入隊(duì)后，會(huì)在這個(gè)方法里進(jìn)行自旋（循環(huán)）等待。
- 在循環(huán)中，它會(huì)檢查自己的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是不是頭節(jié)點(diǎn)（p == head）。如果是，說明自己是隊(duì)列中第一個(gè)等待的線程，會(huì)再次調(diào)用 tryAcquire 嘗試獲取資源（因?yàn)榇藭r(shí)鎖可能剛好被釋放了，這是一個(gè)避免不必要的線程掛起、提高性能的優(yōu)化）。
- 如果獲取成功，就將自己設(shè)為新的頭節(jié)點(diǎn)，然后返回。
- 如果前驅(qū)不是頭節(jié)點(diǎn)，或者再次嘗試獲取失敗，則會(huì)調(diào)用 shouldParkAfterFailedAcquire 方法，檢查并更新前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)（比如將其 waitStatus 設(shè)置為 SIGNAL，表示“當(dāng)你釋放鎖時(shí)，需要喚醒我”）。
- 如果一切就緒，就調(diào)用 parkAndCheckInterrupt() 方法，使用 LockSupport.park(this) 阻塞（掛起）當(dāng)前線程。
- 當(dāng)線程被喚醒后（通常是由前驅(qū)節(jié)點(diǎn)釋放鎖時(shí) unpark 的），會(huì)再次檢查自己是否是頭節(jié)點(diǎn)的后繼，并重復(fù)上述自旋過程，直到成功獲取資源。
selfInterrupt()：
- 如果在等待過程中線程被中斷，acquireQueued 方法會(huì)返回 true，這里會(huì)調(diào)用 selfInterrupt 補(bǔ)上中斷標(biāo)志，因?yàn)?AQS 在 acquire 過程中是忽略中斷的。

釋放流程（release）相對(duì)簡(jiǎn)單：

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) { // 1. 子類嘗試釋放資源
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h); // 2. 喚醒后繼節(jié)點(diǎn)
        return true;
    }
    return false;
}

unparkSuccessor 會(huì)找到隊(duì)列中第一個(gè)需要喚醒的線程（通常是頭節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)有效節(jié)點(diǎn)），然后調(diào)用 LockSupport.unpark(s.thread) 將其喚醒。

五、AQS 的應(yīng)用舉例

AQS 是 JUC 包的基石，幾乎所有的同步工具都基于它：

ReentrantLock：使用 AQS 的獨(dú)占模式，state 表示重入次數(shù)。
ReentrantReadWriteLock：讀寫鎖。AQS 的 state 高16位表示讀鎖狀態(tài)，低16位表示寫鎖狀態(tài)。
Semaphore：使用 AQS 的共享模式，state 表示可用許可數(shù)。
CountDownLatch：使用 AQS 的共享模式，state 表示計(jì)數(shù)器值。countDown() 是 releaseShared，await() 是 acquireShared。
ThreadPoolExecutor：其內(nèi)部的工作線程 Worker 類，也繼承了 AQS，用于實(shí)現(xiàn)獨(dú)占鎖，來判斷線程是否空閑。