深入理解AQS的基本工作原理

# 1. 引言

## 1.1 介绍AQS的概念和作用

在多线程编程中，保证共享资源的安全访问是一个非常重要的问题。而在Java的并发包中，提供了一种灵活、可扩展的同步工具类AQS（AbstractQueuedSynchronizer）来解决这个问题。

AQS是一个抽象类，提供了一种基于队列的同步器框架，通过实现不同类型的同步器，可以实现各种不同的同步方式。它的核心思想是通过一个volatile变量state来表示资源的状态，并利用一个FIFO双向链表来维护等待线程的队列。

AQS主要提供了两个方法，acquire和release，用于申请和释放资源。acquire方法用于尝试获取资源，如果资源不可用，则线程会进入等待队列并被阻塞；而release方法用于释放资源，并唤醒等待队列中的线程。

## 1.2 AQS的重要性和应用场景

AQS在Java并发包中扮演着重要角色，它为多线程编程提供了强大的支持。AQS的重要性主要体现在以下几个方面：

1. 提供了可靠的资源管理机制：AQS提供了一种可靠的机制来管理共享资源，保证了资源的安全访问。通过AQS，我们可以实现各种同步器，如锁、信号量等，来满足不同场景下的资源管理需求。

2. 提供了高效的等待/唤醒机制：AQS利用一个FIFO队列来管理等待线程，实现了高效的等待/唤醒机制。等待队列中的线程按照先到先服务的原则进行调度，无需使用底层的synchronized关键字进行手动的等待和唤醒操作。

3. 支持可扩展性：AQS提供了一些模板方法和钩子方法，使得我们可以方便地定制自己的同步器。通过继承AQS并重写模板方法，我们可以实现自定义的同步器，并适应各种不同的场景。

AQS的应用场景非常广泛，几乎所有与共享资源相关的多线程问题都可以通过AQS来解决。比如，实现一个线程安全的计数器、实现一个线程安全的缓存、实现一个线程安全的阻塞队列等等。在Java并发包中，很多重要的类（如ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等）都是基于AQS实现的，这些类的使用可以极大地简化多线程编程的复杂性。在接下来的章节中，我们将详细介绍AQS的基本结构和原理。

# 2. AQS的基本结构和原理

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中用于构建同步器的基础框架，它提供了用于构建锁和其他同步器的模板方法和基本的同步操作。了解AQS的基本结构和原理对于理解Java并发包中的各种同步器是非常重要的。

### 2.1 AQS的数据结构和关键字段

AQS的核心数据结构是一个双向链表，用于维护等待获取同步资源的线程。每个节点都代表一个等待线程，有一个状态字段表示线程的状态（例如等待、运行、阻塞等）。AQS还有一个用于表示同步状态的字段，被称为state。

private static final class Node {
    // 线程的状态
    static final int CANCELLED = 1;
    static final int SIGNAL = -1;
    static final int CONDITION = -2;
    static final int PROPAGATE = -3;
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
    Node nextWaiter;

    // 省略构造方法和其他字段
}

private volatile int state;

- `state`：表示同步状态的字段，根据具体的同步器不同，可以表示各种含义，例如许可数量、锁的拥有者等。
- `waitStatus`：表示线程的状态的字段，在等待队列中的线程会被设置为WAITING状态。

### 2.2 AQS的同步器和队列的关系

AQS作为同步器的基础框架，通过维护一个双向链表的等待队列来管理等待获取同步资源的线程。当一个线程请求获取同步资源时，如果资源已被占用，则该线程将被加入到等待队列中，并阻塞等待。

当同步资源释放时，AQS会从等待队列中选择一个线程唤醒，使其可以继续执行。AQS使用了一种公平的选择策略，即先入队的线程先被唤醒。

### 2.3 AQS的实现原理及相关的算法

AQS的实现原理基于经典的CLH（Craig, Landin, and Hagersten）锁队列算法。CLH算法通过不断自旋（spinning）检查前驱节点的状态，以判断自己是否可以获取同步资源。

当一个线程要获取同步资源时，它会创建一个新的节点并将其插入到等待队列的尾部，然后自旋检查自己的前驱节点是否已经释放了同步资源，如果是，当前线程就可以获取到资源，否则，当前线程将被阻塞。当线程释放同步资源时，它会唤醒下一个等待线程，使其继续执行。

AQS的具体实现使用了CAS（Compare and Swap）操作来保证并发的正确性。CAS操作可以在多线程环境下实现无锁的同步操作，保证数据的一致性和线程的安全。

通过使用CLH锁队列算法和CAS操作，AQS可以高效地实现各种同步器，例如互斥锁、共享锁、信号量等，为Java并发包的各种同步组件提供了强大的支持。

以上是AQS的基本结构和原理的介绍，接下来我们将深入分析AQS的核心方法的实现和用法。

# 3. AQS的核心方法解析

在上一章节中，我们对AQS的基本结构和原理进行了介绍。本章节将重点解析AQS的核心方法，包括acquire、release、tryAcquire和tryRelease方法的作用、实现思路以及公平锁和非公平锁的区别与实现方式。

#### 3.1 acquire和release方法的作用及调用时机

- `acquire`方法：用于获取同步状态，当同步状态不可用时，会阻塞线程直到同步状态可用。该方法有多个重载形式，可以实现不同的等待策略，如`acquire()`是无条件等待直到获取同步状态，`acquire(int permits)`是获取指定数量的同步状态，`acquireUninterruptibly()`是无条件等待直到获取同步状态，且不响应中断。
- `release`方法：用于释放同步状态，当同步状态可用时，会唤醒等待获取同步状态的线程。该方法也有多个重载形式，可以释放不同数量的同步状态，如`release()`是释放一个同步状态，`release(int permits)`是释放指定数量的同步状态。

这两个方法的调用时机取决于具体的同步器的实现逻辑和应用场景，通过合理使用`acquire`和`release`方法，可以实现线程的协调与同步。

#### 3.2 tryAcquire和tryRelease方法的实现思路

- `tryAcquire`方法：用于尝试获取同步状态，如果同步状态获取成功，则返回`true`，否则返回`false`。该方法通常会根据实际情况判断是否可获取同步状态，如果可以，则通过CAS操作将同步状态设置为获取成功，并返回`true`。如果不可获取同步状态，则返回`false`。
- `tryRelease`方法：用于尝试释放同步状态，如果同步状态释放成功，则返回`true`，否则返回`false`。该方法通常也会使用CAS操作将同步状态设置为释放成功，并返回`true`。如果同步状态已被其他线程修改，则释放失败，返回`false`。

`tryAcquire`和`tryRelease`方法通常在需要非阻塞式获取和释放同步状态的场景下使用，可以避免线程阻塞和唤醒的开销。

#### 3.3 公平锁和非公平锁的区别与实现方式

在AQS中，公平锁和非公平锁是通过不同的实现方式来实现的。公平锁会按照线程的请求顺序来获取同步状态，而非公平锁则允许线程插队，可能会导致新来的线程先获取到同步状态。

公平锁的实现方式：

public final boolean acquire() {
    if (!tryAcquire() &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), 0))
        selfInterrupt();
}

非公平锁的实现方式：

public final boolean acquire() {
    if (tryAcquire())
        return true;
    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
        parkAndCheckInterrupt())
        throw new InterruptedException();
    return false;
}

在公平锁实现方式中，通过调用`acquireQueued`方法来处理等待队列中的节点，按照线程的请求顺序来获取同步状态。而在非公平锁实现方式中，通过调用`parkAndCheckInterrupt`方法来进行线程的阻塞与唤醒，可能导致新线程先获取到同步状态。

通过选择不同的锁实现方式，可以根据业务需求来平衡线程的公平性和执行效率。

以上是AQS的核心方法解析，下一章节将介绍AQS的扩展与自定义，包括自定义同步器的步骤和注意事项、AQS提供的子类模板及其使用方法，以及AQS的可扩展性和适用性分析。

# 4. AQS的扩展与自定义

在前面的章节中，我们已经了解了AQS的基本结构、原理以及核心方法的解析。接下来，我们将重点讨论AQS的扩展与自定义，包括自定义同步器的步骤和注意事项、AQS提供的子类模板及其使用方法，以及AQS的可扩展性和适用性分析。

#### 4.1 自定义同步器的步骤和注意事项

要自定义一个同步器，一般需要遵循以下步骤：

1. 继承AbstractQueuedSynchronizer（AQS）抽象类，覆写至少一个获取状态的方法和一个释放状态的方法，即`tryAcquire`和`tryRelease`方法。根据具体需求，还可以覆写其他方法来实现自定义的同步逻辑。

2. 在自定义同步器中定义同步状态（state），并使用`getState`和`setState`等方法来访问和修改同步状态。

3. 根据具体需求，定义并构造适当的等待队列（wait queue）来管理线程的排队与唤醒。

在自定义同步器时需要注意以下事项：

- 状态的合法性：保证同步状态的合法性，即状态的变化需要满足特定的条件，以确保并发操作的正确性和线程安全性。

- 线程的排队与唤醒：合理维护等待队列，确保线程按照规定的顺序排队等待，以及在恰当的时机唤醒等待线程。

- 锁的语义和使用方式：在设计自定义同步器时，需要清晰地定义锁的语义和使用方式，包括可重入性、公平性等方面的考量。

#### 4.2 AQS提供的子类模板及其使用方法

AQS在JDK中提供了一些子类模板，如`ReentrantLock`、`CountDownLatch`、`Semaphore`等，这些子类模板已经实现了常见的同步器功能，并且提供了可供用户直接使用的API。

通过使用AQS提供的子类模板，可以方便地构建各种同步器，例如实现可重入锁、倒计时器、信号量等常见同步工具。用户只需关注具体的业务逻辑，而无需直接操作AQS的底层算法和数据结构。

使用AQS提供的子类模板时，需要注意适当地设置同步状态、管理等待队列，以及合理调用AQS提供的模板方法，以确保同步器的正确行为。

#### 4.3 AQS的可扩展性和适用性分析

AQS作为Java并发包中的核心架构之一，具有较强的可扩展性和适用性。通过AQS提供的基础设施，可以方便地构建各种高效、灵活的同步器，满足不同场景下的并发控制需求。

同时，AQS提供了丰富的API和操作方法，使得开发者可以灵活地定制和使用各种同步器，并且在一定程度上避免了直接操作底层的线程、锁等细节，降低了并发编程的复杂性。

总的来说，AQS的可扩展性和适用性使其成为了Java并发编程中的重要基础，为并发控制提供了强大的支持。

以上是关于AQS的扩展与自定义的内容，通过对AQS提供的子类模板的使用和对AQS可扩展性、适用性的分析，我们可以更好地理解和应用AQS这一重要的并发控制工具。

# 5. AQS在Java并发包中的应用

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）作为Java并发包中的核心组件，被广泛应用于各种并发工具的实现中。下面将介绍几个常见并发工具的实现原理以及与AQS的关系。

#### 5.1 ReentrantLock的实现原理和AQS的关系

ReentrantLock是Java并发包中提供的一种可重入锁，其内部的同步实现依赖于AQS。具体而言，ReentrantLock内部持有一个Sync对象作为同步器，而Sync则是AQS的子类，通过AQS提供的模板方法来实现锁的获取和释放逻辑。下面是ReentrantLock中的Sync同步器的简化代码：

// ReentrantLock内部的Sync同步器
static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // ...
}

在ReentrantLock中，Sync会根据不同的获取方式（公平/非公平）来实现`tryAcquire`和`tryRelease`等方法，从而控制锁的获取和释放过程。通过AQS的帮助，ReentrantLock实现了可重入锁的语义，并且能够灵活地控制锁的行为。

#### 5.2 CountDownLatch的实现原理和AQS的关系

CountDownLatch是一种同步工具类，它可以让某个线程等待直到倒计时结束，再继续执行。CountDownLatch的实现依赖于AQS提供的共享模式。在CountDownLatch内部，倒计时的等待过程依赖于AQS的`await`和`release`方法，而这些方法又会调用AQS中的`acquire`和`releaseShared`方法来实现线程的阻塞和唤醒。

通过AQS的支持，CountDownLatch能够高效地实现线程之间的等待和通知机制，为并发编程提供了重要的支持。

#### 5.3 Semaphore的实现原理和AQS的关系

Semaphore是一种基于计数的信号量，用于控制同时访问特定资源的线程数量。Semaphore的实现同样依赖于AQS提供的共享模式和独占模式。在Semaphore内部，维护了一个AQS同步器，并通过AQS提供的`acquire`和`release`等方法来实现对共享资源的访问控制。

通过AQS的支持，Semaphore能够灵活地控制线程的访问权限，实现对共享资源的有效管理。

以上三个例子展示了AQS作为Java并发包中的核心组件，在ReentrantLock、CountDownLatch和Semaphore等常见并发工具类中的作用和应用。AQS为这些并发工具提供了底层的支持，使它们能够安全、高效地实现并发控制，从而为Java并发编程提供了强大的基础设施。

# 6. 总结与展望

在本文中，我们深入探讨了AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的基本结构、原理以及在Java并发包中的应用。通过对AQS的介绍和分析，我们对其在并发编程中的重要性有了更深入的理解，同时也明白了它的灵活性和可扩展性。

#### 6.1 对AQS的基本工作原理进行总结
AQS是通过一个volatile类型的int成员变量表示状态，并通过内置的FIFO队列实现对阻塞线程的管理。AQS通过自定义同步器来实现各种各样的同步器，例如ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等。它的核心方法是acquire和release，通过tryAcquire和tryRelease的实现来完成对状态的更改以及线程的阻塞和唤醒。

#### 6.2 对AQS的应用和未来发展进行展望
AQS作为Java并发包中的核心组件，已经被广泛应用于各种并发场景中。在未来，随着并发编程需求的不断增加，AQS将继续发挥着重要作用，并且可能会在性能优化、功能扩展等方面进行进一步的改进和发展。

#### 6.3 提出相关问题并给出思考和解决方案
在使用AQS的过程中，我们可能会遇到一些问题，例如在自定义同步器时的错误使用，或者在并发编程中出现的死锁、饥饿等问题。针对这些问题，我们可以通过仔细阅读官方文档、参考优秀的开源项目以及多做实践来加深理解并找到解决方案。

总之，AQS作为并发编程中的重要工具，在我们日常的开发中扮演着至关重要的角色，对其深入了解并熟练运用，将有助于我们更好地编写高效、安全的并发程序。

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