今天我們利用AQS實現(xiàn)一個基礎(chǔ)的自定義的互斥鎖。

1.AQS

AbstractQueueSynchronizer，簡稱AQS，是 Java 并發(fā)編程的核心基礎(chǔ)框架，它為各種同步器（如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等）提供了統(tǒng)一的底層實現(xiàn)，解決了并發(fā)場景中線程的同步與協(xié)作問題。它的設(shè)計思想可以概括為：用一個 volatile 狀態(tài)變量控制同步邏輯，用一個 CLH 隊列管理等待線程。下面我們簡單介紹一下其核心內(nèi)容。

一、AQS 的核心結(jié)構(gòu)

AQS 的核心由兩部分組成：同步狀態(tài)（State） 和等待隊列（CLH 隊列）。

1.同步狀態(tài)（State）

        定義：AQS 通過 private volatile int state 變量來維護(hù)同步狀態(tài)，該狀態(tài)值的具體語義由實現(xiàn)類（子類）自行定義。以 ReentrantLock 為例：

• state = 0 表示鎖未被占有
• state > 0 表示鎖被持有，數(shù)值代表當(dāng)前線程的重入次數(shù)（線程每次獲取鎖時 state 遞增，釋放鎖時 state 遞減）

2. 等待隊列（CLH 隊列）

當(dāng)線程獲取鎖失敗時，AQS 會將線程封裝成一個節(jié)點（Node） 加入等待隊列，這個隊列是一個雙向鏈表，基于 CLH（Craig, Landin, and Hagersten）鎖隊列改進(jìn)而來。

二、AQS 的核心機(jī)制

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的核心機(jī)制分為獨占式和共享式兩種同步模式，分別對應(yīng)不同的鎖獲取與釋放邏輯。

1.獨占式模式（Exclusive）

獨占式模式下，同一時刻只有一個線程能獲取鎖（如 ReentrantLock）。其核心流程如下：

獲取鎖（acquire）

調(diào)用 tryAcquire(int arg)：由子類實現(xiàn)，嘗試獲取鎖（如檢查 state 是否為 0，并通過 CAS 修改 state）。若成功，直接返回；若失敗，進(jìn)入后續(xù)步驟。

調(diào)用 addWaiter(Node.EXCLUSIVE)：將當(dāng)前線程封裝為獨占模式的 Node 節(jié)點，并加入等待隊列尾部。

調(diào)用 acquireQueued(Node node, int arg)：節(jié)點在隊列中自旋等待，直到獲取鎖或被取消。在此過程中：

• 節(jié)點檢查前驅(qū)節(jié)點是否為頭節(jié)點：若是，則再次嘗試 tryAcquire；若成功，將自己設(shè)為新頭節(jié)點。
• 若前驅(qū)節(jié)點狀態(tài)不是 SIGNAL，則將其狀態(tài)改為 SIGNAL（確保前驅(qū)釋放鎖時能喚醒自己）。
• 若獲取失敗，通過 LockSupport.park(this) 阻塞當(dāng)前線程。

釋放鎖（release）

調(diào)用 tryRelease(int arg)：由子類實現(xiàn)，嘗試釋放鎖（如修改 state 的值）。
若成功，檢查頭節(jié)點的狀態(tài)：若為 SIGNAL，則調(diào)用 unparkSuccessor(Node node) 喚醒后繼節(jié)點。
被喚醒的后繼節(jié)點會重新進(jìn)入自旋，嘗試獲取鎖。

2.共享式模式（Shared）

共享式模式下，同一時刻多個線程可獲取鎖（如 Semaphore、CountDownLatch）。其核心流程如下：

獲取鎖（acquireShared）

調(diào)用 tryAcquireShared(int arg)：由子類實現(xiàn)，嘗試獲取共享鎖（如檢查 state 是否大于 0）。

若返回值 >=0（成功），直接返回；若 <0（失?。?，進(jìn)入后續(xù)步驟。

調(diào)用 doAcquireShared(int arg)：將線程封裝為共享模式的 Node 節(jié)點，加入等待隊列并自旋等待。

與獨占式不同，共享模式下，一個節(jié)點獲取鎖后可能會喚醒后續(xù)所有共享節(jié)點（如 Semaphore 的 release 會釋放多個許可）。

釋放鎖（releaseShared）

調(diào)用 tryReleaseShared(int arg)：由子類實現(xiàn)，嘗試釋放共享鎖（如增加 state 的值）。
若成功，喚醒后續(xù)等待的共享節(jié)點。

三、AQS 的核心方法

AQS 基于模板方法模式設(shè)計，將同步器的核心邏輯分為兩部分：父類定義的固定流程（模板方法）和子類實現(xiàn)的定制邏輯（鉤子方法）。

1.模板方法（AQS 已實現(xiàn)）

獨占式鎖操作

• acquire(int arg)：阻塞式獲取獨占鎖，忽略中斷。
• release(int arg)：釋放獨占鎖，喚醒后續(xù)線程。
• tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)：支持超時和中斷的獨占鎖獲取。

共享式鎖操作

• acquireShared(int arg)：阻塞式獲取共享鎖。
• releaseShared(int arg)：釋放共享鎖，喚醒等待線程。
• tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)：支持超時和中斷的共享鎖獲取。

輔助功能

• getQueuedThreads()：獲取等待隊列中的線程集合。

2.鉤子方法（子類需重寫）

獨占式鎖實現(xiàn)

• tryAcquire(int arg)：定義獨占鎖的獲取邏輯，返回成功狀態(tài)。
• tryRelease(int arg)：定義獨占鎖的釋放邏輯，返回成功狀態(tài)。

共享式鎖實現(xiàn)

• tryAcquireShared(int arg)：定義共享鎖的獲取邏輯，返回剩余可用資源數(shù)。
• tryReleaseShared(int arg)：定義共享鎖的釋放邏輯，返回是否完全釋放。

條件變量支持

• isHeldExclusively()：判斷當(dāng)前線程是否獨占持有鎖，用于實現(xiàn) Condition。

通過重寫鉤子方法，子類可靈活實現(xiàn)公平/非公平鎖、讀寫鎖等同步機(jī)制，而 AQS 負(fù)責(zé)隊列管理、阻塞喚醒等底層操作。

2.自定義互斥鎖

MLock通過靜態(tài)內(nèi)部類Sync繼承 AQS，并重寫關(guān)鍵方法，實現(xiàn)了一個獨占式非重入鎖（同一線程不能重復(fù)獲取鎖）。

public class MLock {
    private Sync sync = new Sync();
    private static class Sync extends AbstractQueuedLongSynchronizer{

        @Override
        protected boolean tryAcquire(long arg) {
            //利用CAS算法把state變量改成1
            if(compareAndSetState(0,arg)){
                //操作成功后把當(dāng)前線程設(shè)置成獨占
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
            return false;

        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(long arg) {
            //清空當(dāng)前線程
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(arg);
            return true;

        }

        @Override
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;

        }
    }

    //加鎖
    public void lock(){
        sync.acquire(1);
    }
    //釋放鎖
    public void unlock(){
        sync.release(0);
    }

}

一、Sync內(nèi)部類（AQS 子類）

Sync 作為鎖的核心實現(xiàn)，重寫了 AQS 中的 3 個關(guān)鍵方法和 1 個條件變量方法：

1.tryAcquire(int arg) - 獨占鎖獲取

執(zhí)行邏輯：當(dāng) state 為 0（未鎖定狀態(tài)）時，通過 CAS 操作將其置為 1，并記錄當(dāng)前線程為鎖持有者

2.tryRelease(int arg) - 獨占鎖釋放

執(zhí)行邏輯：先清除鎖持有者線程信息，再將 state 重置為 0，允許其他線程獲取鎖

3.isHeldExclusively() - 獨占鎖狀態(tài)檢查

執(zhí)行邏輯：通過檢查 state 是否為 1 來判斷鎖是否被占用（注：簡化實現(xiàn)，實際還需驗證持有者線程）

4.newCondition() - 條件變量創(chuàng)建

功能說明：提供基于鎖的等待/通知機(jī)制，支持 await() 和 signal() 等操作

二、MLock對外提供的方法

這些方法是鎖的使用接口，內(nèi)部通過調(diào)用Sync（AQS）的方法實現(xiàn)：

• lock()：獲取鎖（阻塞式）

  邏輯：如果tryAcquire成功（獲取鎖），直接返回；否則，當(dāng)前線程會被加入 AQS 的等待隊列，進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到被喚醒并成功獲取鎖

• tryLock()：嘗試獲取鎖（非阻塞式）                                                                                     
  邏輯：僅嘗試一次獲取鎖，成功返回true，失敗立即返回false，不會阻塞。

• unlock()：釋放鎖

  邏輯：釋放鎖后，AQS 會喚醒等待隊列中的一個線程，讓其嘗試獲取鎖。

• newCondition()：獲取條件變量用于線程間的協(xié)作（如生產(chǎn)者 - 消費者模型），基于當(dāng)前鎖實現(xiàn)等待 / 通知。

總結(jié) 

到此這篇關(guān)于Java自定義互斥鎖實現(xiàn)方法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java自定義互斥鎖內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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