AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）：Java 同步框架的基石

AQS（AbstractQueuedSynchronizer，队列同步器）是 Java 并发包（JUC）的核心基础组件，为 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等同步工具提供统一的底层支持。它通过同步状态管理和FIFO 等待队列实现了高效的线程同步机制。本文将深入解析 AQS 的设计原理、核心组件及工作流程。

AQS 的核心设计思想

AQS 的核心目标是简化同步组件的实现，其设计基于模板方法模式：

• 子类通过继承 AQS 并实现特定抽象方法（如tryAcquire、tryRelease）来定义同步状态的获取与释放规则；
• AQS 自身实现了队列管理、线程阻塞 / 唤醒等通用逻辑，无需子类重复开发。

核心组件

• 同步状态（state）：一个volatile int变量，用于表示资源的占有状态（如 0 表示未占用，1 表示已占用）；
• FIFO 等待队列：双向链表结构，存储等待获取资源的线程节点；
• 条件队列（Condition）：与Lock配合使用，实现线程间的条件等待。

AQS 核心源码解析

同步状态（state）

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements Serializable {  
    // 同步状态，volatile保证可见性  
    private volatile int state;  

    // 获取当前状态  
    protected final int getState() { return state; }  

    // 设置状态（无原子性保证）  
    protected final void setState(int newState) { state = newState; }  

    // CAS设置状态（保证原子性）  
    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {  
        return UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);  
    }  
}

状态的意义：

• 对于ReentrantLock，state表示重入次数（0：未锁定；n>0：被锁定 n 次）；
• 对于Semaphore，state表示剩余许可数；
• 对于CountDownLatch，state表示计数器值。

FIFO 等待队列（同步队列）

等待队列是 AQS 的核心，用于存储因获取资源失败而阻塞的线程。队列由Node节点组成，结构如下：

Node 节点结构

static final class Node {  
    // 共享模式标记（用于Semaphore等）  
    static final Node SHARED = new Node();  
    // 独占模式标记（用于ReentrantLock等）  
    static final Node EXCLUSIVE = null;  

    // 节点状态（等待状态）  
    volatile int waitStatus;  
    static final int CANCELLED =  1;  // 已取消（超时或中断）  
    static final int SIGNAL    = -1;  // 需唤醒后继节点  
    static final int CONDITION = -2;  // 在条件队列中  
    static final int PROPAGATE = -3;  // 共享模式下的传播  

    // 前驱节点  
    volatile Node prev;  
    // 后继节点  
    volatile Node next;  
    // 节点关联的线程  
    volatile Thread thread;  
    // 条件队列中的后继节点（或共享模式标记）  
    Node nextWaiter;  
}

队列结构

head -> Node1 -> Node2 -> ... -> tail

• head：头节点（哨兵节点，无实际线程）；
• tail：尾节点（最新加入的节点）；
• 节点通过prev和next形成双向链表。

独占模式下的资源获取与释放

以ReentrantLock的独占锁为例，解析 AQS 的核心流程。

获取资源：acquire(int arg)

public final void acquire(int arg) {  
    // 1. 尝试获取资源（tryAcquire由子类实现）  
    // 2. 失败则加入等待队列（addWaiter）  
    // 3. 在队列中阻塞等待（acquireQueued）  
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) {  
        selfInterrupt(); // 若被中断，恢复中断状态  
    }  
}

• tryAcquire：子类实现，定义独占模式下的资源获取逻辑（如ReentrantLock判断state是否为 0，是则 CAS 设置为 1）。

• addWaiter：将当前线程封装为 Node，通过 CAS 加入队列尾部：

  private Node addWaiter(Node mode) {  
      Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);  
      Node pred = tail;  
      if (pred != null) {  
          node.prev = pred;  
          if (compareAndSetTail(pred, node)) {  
              pred.next = node;  
              return node;  
          }  
      }  
      enq(node); // 队列为空或CAS失败时，自旋入队  
      return node;  
  }

• acquireQueued：节点在队列中自旋等待，直到获取资源或被取消：

  final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {  
      boolean failed = true;  
      try {  
          boolean interrupted = false;  
          for (;;) {  
              final Node p = node.predecessor();  
              // 若前驱是头节点，尝试获取资源  
              if (p == head && tryAcquire(arg)) {  
                  setHead(node); // 成为新的头节点  
                  p.next = null; // 帮助GC  
                  failed = false;  
                  return interrupted;  
              }  
              // 判断是否可以阻塞，若可以则park当前线程  
              if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) {  
                  interrupted = true;  
              }  
          }  
      } finally {  
          if (failed) cancelAcquire(node); // 获取失败，取消节点  
      }  
  }

释放资源：release(int arg)

public final boolean release(int arg) {  
    // 1. 尝试释放资源（tryRelease由子类实现）  
    if (tryRelease(arg)) {  
        Node h = head;  
        if (h != null && h.waitStatus != 0) {  
            unparkSuccessor(h); // 2. 唤醒后继节点  
        }  
        return true;  
    }  
    return false;  
}

• tryRelease：子类实现，定义资源释放逻辑（如ReentrantLock将state减 1，为 0 时表示完全释放）。
• unparkSuccessor：唤醒后继节点（移除取消节点，调用LockSupport.unpark）。

条件队列（Condition）

AQS 内部类ConditionObject实现了Condition接口，与Lock配合实现线程间的条件等待（类似synchronized的wait/notify）。

核心方法

• await()：将当前线程加入条件队列，释放锁并阻塞；
• signal()：将条件队列的首节点转移到同步队列，等待获取锁；
• signalAll()：转移所有条件队列节点到同步队列。

工作流程

1. 线程获取锁后，调用await()进入条件队列并释放锁；
2. 其他线程调用signal()，将条件队列节点转移到同步队列；
3. 同步队列中的节点竞争锁，获取后继续执行。

LockSupport 工具类

AQS 通过LockSupport实现线程的阻塞与唤醒，其核心方法：

• park()：阻塞当前线程（需unpark唤醒）；
• unpark(Thread t)：唤醒指定线程（提前调用可设置 “许可”，使后续park不阻塞）。

LockSupport相比wait/notify的优势：

• 无需在同步块中调用；
• 支持中断响应；
• 避免虚假唤醒（通过 “许可” 机制）。

AQS 的应用：同步组件举例

ReentrantLock（独占锁）

• tryAcquire：判断state是否为 0，是则 CAS 设置为 1（非公平锁）；或检查是否为当前线程，是则state++（重入）。
• tryRelease：state--，为 0 时释放锁并返回true。

Semaphore（信号量）

• 共享模式：多个线程可同时获取许可。
• tryAcquireShared：state减去请求的许可数，若 >=0 则成功。
• tryReleaseShared：state加上释放的许可数，唤醒后续节点。

CountDownLatch（倒计时器）

• tryAcquireShared：若state为 0 则成功，否则失败并加入队列。
• countDown()：调用tryReleaseShared，state--，为 0 时唤醒所有等待线程。

AQS 的核心优势

1. 通用性：统一实现队列管理、线程阻塞等逻辑，简化同步组件开发；
2. 高效性：基于 CAS 和自旋锁，减少锁竞争带来的性能损耗；
3. 灵活性：支持独占 / 共享模式，可扩展出多种同步工具；
4. 安全性：通过 volatile 和 CAS 保证状态的线程可见性与原子性。