AQS源码解析之底层的state变量与方法

# 1. 引言

## 1.1 简介

本文将详细介绍AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的原理、作用以及在并发编程中的应用。AQS是Java并发包中的一个重要组件，在许多并发框架中都有广泛应用，如ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等。通过深入了解AQS的底层实现和使用场景，可以帮助我们更好地理解并发编程中的核心概念和原理。

## 1.2 目的

本文的主要目的是：

- 解析AQS的底层实现原理，包括state变量和底层方法；
- 探讨state变量的含义、作用以及取值范围；
- 对AQS的底层方法进行详细解析，包括acquire、release、tryAcquire和tryRelease等；
- 分析AQS与ReentrantLock、ConcurrentHashMap、CountDownLatch等常用并发框架的关系与应用场景；
- 总结AQS的重要概念和应用，展望未来AQS在并发编程中的进一步发展。

通过本文的阅读，读者将能够更深入地理解AQS的原理和使用方法，从而更好地应用AQS解决并发编程中的各种问题。

# 2. AQS概述

### 2.1 什么是AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中一个用于构建锁和同步器的基础框架。它是一个抽象类，通过内置的FIFO队列（即等待队列）和状态变量（即state变量）来实现线程的排队和同步控制。AQS提供了一组共享资源状态的管理方法，开发者可以通过继承AQS，重写其中的方法来实现自己的同步器。

### 2.2 AQS的作用与原理

AQS的主要作用是维护线程之间的竞争关系和同步状态。它可以实现独占锁和共享锁，以及其他各种同步器的功能，例如信号量、倒计时门闩等。AQS的原理是通过一个整型的状态变量（state变量）来表示共享资源的状态，然后通过CAS操作（Compare And Swap）来实现对状态的原子更新。当一个线程需要获取共享资源时，如果资源已经被占用，它会被加入到等待队列中，等待其他线程释放资源；而当一个线程释放共享资源时，它会将队列中的下一个线程唤醒，使其获取资源。

### 2.3 AQS源码结构概览

AQS的源码结构相对复杂，但主要分为以下几个部分：

- State变量的定义和操作方法
- 等待队列的定义和操作方法
- 阻塞和唤醒相关的方法
- 同步器的模板方法

下面的章节中，我们将会详细解析每个部分的具体内容。

# 3. state变量的含义与作用

#### 3.1 state变量介绍

在AQS（AbstractQueuedSynchronizer）中，state是一个非常重要的变量。它代表了当前锁的状态，可以通过对state变量的修改来实现线程之间的同步与通信。state变量的类型通常是整型，但实际上可以是任何类型。

#### 3.2 state变量的作用与应用场景

state变量在AQS中的主要作用是用于表示共享资源的状态。通常，当state的值为0时，表示资源的状态是可获得的，即没有被其他线程占用；而当state的值大于0时，表示资源已经被占用，并且占用的数量就是state的值。

通过对state变量进行适当的修改，可以实现不同的线程协作模式，比如互斥锁、读写锁、信号量等。具体的应用场景可以根据具体的需求进行配置。

#### 3.3 state变量的取值范围及其含义

state变量的取值范围一般由具体应用场景来决定。根据AQS源码的设计，state的取值范围可以是负数、0或正数。

- 当state的值为负数时，表示当前已有线程获取了共享资源，并且还有其他线程在等待。
- 当state的值为0时，表示当前共享资源没有被线程占用，其他线程可以尝试获取资源。
- 当state的值为正数时，表示当前共享资源已被线程占用的数量。值的大小表示占用资源的线程数量。

state变量的具体值与含义可以根据不同的应用场景进行配置，这也是AQS非常灵活的一种设计方式。在之后的章节中，我们将通过具体的案例分析来更好地理解state变量的含义与作用。

# 4. AQS底层方法解析

在本节中，我们将深入解析AQS的底层方法，包括acquire方法、release方法以及tryAcquire和tryRelease方法的详细原理和应用场景。让我们逐步深入了解AQS的底层方法实现。

#### 4.1 AQS的底层方法概览

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）类的底层方法是实现具体同步器的核心部分。它包括了acquire方法、release方法、tryAcquire和tryRelease方法等。接下来我们将逐一来解析这些方法的作用和实现原理。

#### 4.2 acquire方法详解

acquire方法是AQS中用于获取共享资源的核心方法，通过对state变量的操作来实现对资源的获取。在多线程环境中，acquire方法通过自旋方式获取资源，当资源不可用时会进入阻塞状态等待资源释放。acquire方法通过调用tryAcquire方法来实现资源的获取，如果tryAcquire方法返回false，则会调用acquireQueued方法将线程加入等待队列。在具体应用中，我们可以通过重写tryAcquire方法来实现自定义的资源获取逻辑。

下面是acquire方法的简化Java示例代码：

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

通过重写tryAcquire方法，我们可以在自定义同步器中实现资源的获取逻辑。例如，在自定义同步器时，可以根据具体需求，重写tryAcquire方法，实现特定的资源获取条件，从而控制资源的访问。

#### 4.3 release方法详解

release方法是AQS中用于释放共享资源的核心方法。当一个线程释放资源时，会调用release方法来释放资源，并唤醒等待队列中的线程。release方法内部调用了tryRelease方法来实现资源的释放。在具体应用中，我们可以通过重写tryRelease方法来实现自定义的资源释放逻辑。

下面是release方法的简化Java示例代码：

public void release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
    }
}

通过重写tryRelease方法，我们可以在自定义同步器中实现资源的释放逻辑，如释放资源后唤醒等待队列中的线程。

#### 4.4 tryAcquire和tryRelease方法详解

tryAcquire和tryRelease方法分别用于尝试获取资源和尝试释放资源，在AQS中都是抽象方法，需要在具体的同步器中进行实现。tryAcquire方法用于尝试获取资源，如果获取成功则返回true，否则返回false；tryRelease方法用于尝试释放资源，释放成功则返回true，否则返回false。这两个方法是实现自定义同步器的关键。

下面是tryAcquire和tryRelease方法的简化Java示例代码：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
    // 自定义获取资源逻辑
    // 成功获取则返回true，否则返回false
    // ...
}

protected boolean tryRelease(int arg) {
    // 自定义释放资源逻辑
    // 成功释放则返回true，否则返回false
    // ...
}

在实际应用中，我们可以根据具体需求，在自定义同步器中重写tryAcquire和tryRelease方法，来实现特定的资源获取和释放逻辑，从而控制对资源的访问。

以上是AQS的底层方法的详细解析，通过深入理解这些方法的原理和使用方式，我们可以更加灵活地应用AQS来实现自定义的同步器逻辑。

# 5. 对比与案例分析

#### 5.1 AQS与ReentrantLock的关系

AQS与ReentrantLock是紧密相关的。在Java并发编程中，ReentrantLock是最常用的锁实现之一，而它的实现正是基于AQS。AQS提供了一种灵活的机制，可以用于构建各种类型的锁，ReentrantLock就是其中之一。

ReentrantLock内部维护了一个AQS对象，通过调用AQS的acquire方法获取锁、release方法释放锁来实现对临界区的控制。ReentrantLock在使用AQS时，主要涉及到以下几个方法：

- lock()：调用AQS的acquire方法，尝试获取锁，如果获取成功则继续执行，否则进行等待。
- unlock()：调用AQS的release方法，释放锁。
- tryLock()：调用AQS的tryAcquire方法，尝试获取锁，获取成功返回true，否则返回false。

通过AQS的灵活性，ReentrantLock实现了可重入性、公平性等特性。可重入性指的是同一线程可以多次获取同一把锁，而不会造成死锁；公平性指的是等待时间最长的线程先获取锁。

#### 5.2 AQS在ConcurrentHashMap中的应用

ConcurrentHashMap是Java并发集合中常用的线程安全的哈希表实现，它是基于AQS实现的。AQS提供了对多线程并发访问的支持，可以保证ConcurrentHashMap在并发环境下的安全性和性能。

ConcurrentHashMap内部维护了一个Segment数组，每个Segment都是一个独立的哈希表，通过加锁的方式保证对该Segment的操作是线程安全的。AQS的state变量被用于实现Segment的可重入锁的计数。

当在ConcurrentHashMap中进行插入、删除或查询操作时，会根据key的哈希值定位到对应的Segment，并对该Segment加锁。具体的加锁和解锁流程是基于AQS的acquire和release方法实现的。通过AQS提供的同步机制，ConcurrentHashMap实现了线程安全的并发操作。

#### 5.3 AQS在CountDownLatch中的应用

CountDownLatch是Java并发包中的一个同步工具类，用于控制多个线程之间的协同操作。它内部也使用了AQS来实现线程的等待和唤醒。

CountDownLatch的主要方法是`await()`和`countDown()`。当一个线程需要等待其他线程完成某个任务时，可以调用`await()`方法阻塞等待，而其他线程完成任务后会调用`countDown()`方法来减少CountDownLatch的state变量。当state变量减为0时，所有等待的线程会被唤醒继续执行。

AQS的底层机制支持了CountDownLatch的这种等待和唤醒功能的实现。通过设置state的初始值和调用`countDown()`方法来递减state的值，CountDownLatch可以控制线程的等待和唤醒，实现多个线程之间的协同操作。

通过分析上述案例，可以看出AQS作为并发编程的基础设施，可以应用于各种场景，提供了一种灵活的同步机制。

# 6. 总结与展望

在本文中，我们详细介绍了AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的原理、底层state变量以及相关方法，并举例说明了其在并发编程中的应用场景。

##### 6.1 主要内容总结

我们首先对AQS进行了概述，介绍了AQS的定义、作用与原理，以及其在并发编程中的重要性。接着，我们深入探讨了state变量的含义、作用和取值范围，以及AQS底层方法的具体实现原理。然后，我们对比了AQS与ReentrantLock的关系，并分析了AQS在ConcurrentHashMap和CountDownLatch中的具体应用。

##### 6.2 对AQS的进一步学习建议

想要更深入地理解AQS的原理与应用，建议读者深入学习AQS相关的源码，并结合实际项目进行实践。此外，可以阅读《Java并发编程实战》等经典著作，深入理解AQS在Java并发编程中的原理与应用。

##### 6.3 对未来使用AQS的展望

随着多核处理器的普及和并发编程需求的增加，AQS作为Java中重要的并发编程框架，将继续发挥重要作用。未来，在面对更复杂的并发编程场景时，AQS将会更加丰富其应用领域，为开发人员提供更多解决并发编程难题的利器。

通过本文的学习，相信读者已经对AQS有了更深入的理解，希望读者可以在今后的项目实践中，灵活运用AQS，提高并发编程的效率和质量。