Java中的AQS入門攻略

更新時間：2025年10月22日 11:17:26 作者：程序員小假

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是JUC包中用于構建鎖和同步器的核心框架,它通過volatile的state變量和FIFO隊列實現(xiàn)線程同步,簡化了同步工具的開發(fā),并支持獨占與共享兩種模式,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，即抽象隊列同步器。

抽象：它是一個抽象類，本身不能直接實例化，需要子類去繼承它，并實現(xiàn)其保護方法來管理同步狀態(tài)。
隊列：它內部維護了一個先進先出（FIFO）的等待隊列，用于存放那些沒有搶到鎖的線程。
同步器：它是構建鎖和其他同步組件（如 Semaphore、CountDownLatch 等）的基礎框架。

核心思想：
AQS 使用一個整型的 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），并通過一個內置的 FIFO 隊列來完成資源獲取線程的排隊工作。

設計模式：
AQS 是 模板方法模式 的經典應用。父類（AQS）定義了骨架和核心算法，而將一些關鍵的操作以 protected 方法的形式留給子類去實現(xiàn)。這樣，實現(xiàn)一個自定義同步器只需要關注如何管理 state 狀態(tài)即可，至于線程的排隊、等待、喚醒等復雜操作，AQS 已經幫我們完成了。

二、AQS 的核心結構

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

1. 同步狀態(tài)（State）

這是一個 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 表示鎖被同一個線程重復獲取的次數(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 表示當前可用的許可數(shù)量。
在 CountDownLatch 中，state 表示計數(shù)器當前的值。

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

2. 等待隊列（CLH 隊列的變體）

這是一個雙向鏈表，是 AQS 實現(xiàn)阻塞鎖的關鍵。當線程請求共享資源失敗時，AQS 會將當前線程以及等待狀態(tài)等信息構造成一個節(jié)點（Node） 并將其加入隊列的尾部，同時阻塞該線程。

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

當一個線程釋放資源時，它會喚醒后繼節(jié)點，后繼節(jié)點成功獲取資源后，會將自己設置為新的頭節(jié)點。

主要原理圖如下：

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

3. 條件隊列（Condition Object）

AQS 內部類 ConditionObject 實現(xiàn)了 Condition 接口，用于支持 await/signal 模式的線程間協(xié)作。每個 ConditionObject 對象都維護了一個自己的單向鏈表（條件隊列）。

當線程調用 Condition.await() 時，會釋放鎖，并將當前線程構造成節(jié)點加入條件隊列，然后阻塞。
當線程調用 Condition.signal() 時，會將條件隊列中的第一個等待節(jié)點轉移到 AQS 的等待隊列中，等待重新獲取鎖。

注意：一個 AQS 實例可以對應多個 Condition 對象（即多個條件隊列），但只有一個等待隊列。

三、AQS 的設計與關鍵方法

AQS 將資源獲取的方式分為兩種：

獨占模式（Exclusive）：一次只有一個線程能執(zhí)行，如 ReentrantLock。
共享模式（Shared）：多個線程可以同時執(zhí)行，如 Semaphore、CountDownLatch。

AQS 提供了頂層的入隊和出隊邏輯，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。

需要子類重寫的關鍵方法（Protected）

這些方法在 AQS 中是 protected 的，默認拋出 UnsupportedOperationException。

獨占模式：

boolean tryAcquire(int arg)：嘗試以獨占方式獲取資源。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。負數(shù)表示失?。? 表示成功，但后續(xù)共享獲取可能失?。徽龜?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()：當前同步器是否在獨占模式下被線程占用。在 Condition 相關操作中會用到。

供外部調用的重要方法（Public）

這些是模板方法，子類一般不重寫，使用者（或子類）直接調用。

獨占模式：

void acquire(int arg)：以獨占模式獲取資源，忽略中斷。如果獲取失敗，會進入等待隊列。
void acquireInterruptibly(int arg)：同上，但響應中斷。
boolean tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)：在 acquireInterruptibly 基礎上增加了超時限制。
boolean release(int arg)：以獨占模式釋放資源。

共享模式：

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

四、源碼級工作流程解析（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（子類實現(xiàn)）
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) // 2. 獲取失敗，則加入隊列；3. 在隊列中自旋/阻塞等待
        selfInterrupt(); // 如果在等待過程中被中斷，補上中斷標記
}

tryAcquire(arg)：
- 這是子類實現(xiàn)的方法。比如在 ReentrantLock 的非公平鎖實現(xiàn)中，它會直接嘗試使用 CAS 修改 state，如果成功，就將當前線程設置為獨占線程。
- 如果 tryAcquire 成功，整個 acquire 方法就結束了，線程繼續(xù)執(zhí)行。
- 如果失敗，進入下一步。
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：
- 創(chuàng)建一個代表當前線程的 Node 節(jié)點，模式為獨占模式（Node.EXCLUSIVE）。
- 通過 CAS 操作，快速地將這個新節(jié)點設置為尾節(jié)點。如果失敗，則進入 enq(node) 方法，通過自旋 CAS 的方式確保節(jié)點被成功添加到隊列尾部。
acquireQueued(final Node node, int arg)：
- 這是核心中的核心。節(jié)點入隊后，會在這個方法里進行自旋（循環(huán)）等待。
- 在循環(huán)中，它會檢查自己的前驅節(jié)點是不是頭節(jié)點（p == head）。如果是，說明自己是隊列中第一個等待的線程，會再次調用 tryAcquire 嘗試獲取資源（因為此時鎖可能剛好被釋放了，這是一個避免不必要的線程掛起、提高性能的優(yōu)化）。
- 如果獲取成功，就將自己設為新的頭節(jié)點，然后返回。
- 如果前驅不是頭節(jié)點，或者再次嘗試獲取失敗，則會調用 shouldParkAfterFailedAcquire 方法，檢查并更新前驅節(jié)點的狀態(tài)（比如將其 waitStatus 設置為 SIGNAL，表示“當你釋放鎖時，需要喚醒我”）。
- 如果一切就緒，就調用 parkAndCheckInterrupt() 方法，使用 LockSupport.park(this) 阻塞（掛起）當前線程。
- 當線程被喚醒后（通常是由前驅節(jié)點釋放鎖時 unpark 的），會再次檢查自己是否是頭節(jié)點的后繼，并重復上述自旋過程，直到成功獲取資源。
selfInterrupt()：
- 如果在等待過程中線程被中斷，acquireQueued 方法會返回 true，這里會調用 selfInterrupt 補上中斷標志，因為 AQS 在 acquire 過程中是忽略中斷的。

釋放流程（release）相對簡單：

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
        return true;
    }
    return false;
}

unparkSuccessor 會找到隊列中第一個需要喚醒的線程（通常是頭節(jié)點的下一個有效節(jié)點），然后調用 LockSupport.unpark(s.thread) 將其喚醒。

五、AQS 的應用舉例

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 表示計數(shù)器值。countDown() 是 releaseShared，await() 是 acquireShared。
ThreadPoolExecutor：其內部的工作線程 Worker 類，也繼承了 AQS，用于實現(xiàn)獨占鎖，來判斷線程是否空閑。