AQS源码解析之AbstractQueuedLongSynchronizer与其特点

# 1. 引言

## 1.1 AQS 概述

在并发编程中，常常需要对共享资源进行合理的访问控制，以保证数据的一致性和线程安全。Java提供了多种并发工具类来实现这样的控制，其中最核心的就是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。

AQS是Java.util.concurrent包中一个重要的同步器，它为实现大部分的同步器提供了框架，并且广泛应用于Java集合、线程池、锁等多个领域。AQS使用了一种非常高效灵活的方式来实现锁和其他同步器，具有良好的扩展性和可重用性。

## 1.2 AQS 的作用及优势

AQS的作用是提供了一个高效且灵活的同步器框架，可以实现各种同步器，如CountDownLatch、Semaphore、ReentrantLock等。它通过内部维护的一个FIFO队列来管理等待线程，并通过CAS操作对状态进行更新，从而实现线程的安全访问和同步。

AQS的优势在于：
- 简化了同步器的实现，提供了对多线程操作的支持。
- 具有良好的可扩展性，能够满足不同场景下的需求。
- 提供了公平锁和非公平锁的支持，满足不同的公平性要求。
- 支持条件等待和唤醒机制，能够更灵活地控制线程的执行。

## 1.3 AbstractQueuedLongSynchronizer 简介

AbstractQueuedLongSynchronizer是AQS的具体实现类之一，它是基于长整型变量state来实现同步控制的。它使用一个volatile字段来表示同步状态，通过对这个字段的操作来进行线程的等待和唤醒，以及对同步状态的获取和释放。

下面将对AQS的原理进行详细解析。

# 2. AQS 原理解析

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包中用于构建锁和其他同步器的基础框架。它是实现锁的关键组件，为我们理解并发编程提供了重要的支持。本章将深入分析 AQS 的原理及实现细节。

## 2.1 AQS 实现原理概述

AQS 基于一个先进先出（FIFO）的等待队列来实现对共享资源的访问控制。它通过内置的原子状态（state）来表示资源的获取情况，并通过 CAS 操作来保证状态的一致性和并发的安全性。AQS 提供了 acquire 和 release 两类方法来支持独占方式和共享方式的资源获取和释放操作，同时也支持条件等待和通知的功能。在实现上，AQS 可以通过子类来扩展，从而实现各种同步器，如 ReentrantLock、CountDownLatch 等。

## 2.2 AbstractQueuedLongSynchronizer 的结构与关键字段分析

AbstractQueuedLongSynchronizer（AQS）的核心是一组等待队列和一个表示状态的 volatile 的 long 类型变量。等待队列采用双向链表结构，用于存储等待线程。关键字段包括 state、head、tail 等，它们的含义及作用将在接下来的内容中详细讨论。

## 2.3 锁的获取与释放过程解析

AQS 通过 acquire 和 release 方法来实现锁的获取和释放。在调用 acquire 方法时，AQS 会首先尝试通过 CAS 操作来更新共享资源的状态。如果成功获取到锁，线程可以立即执行临界区代码；如果获取失败，线程将会被加入到等待队列中，进入阻塞状态。当释放锁时，AQS 会按照一定的策略唤醒等待队列中的线程，使得它们有机会再次竞争资源。

在接下来的章节中，我们将进一步探讨 AQS 的特点、优化与扩展，以及其在实际应用中的示例和场景。

# 3. AbstractQueuedLongSynchronizer 的特点

#### 3.1 AQS 的可重入特性及实现原理

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）提供了可重入特性，允许同一个线程多次获取同一个锁而不会发生死锁。这使得线程在执行需要多次加锁和解锁的操作时更加灵活。

AQS 的可重入特性是通过一个名为"state"的独占模式资源来实现的。当线程第一次获取锁时，它会将state的值加1，并将加1后的结果保存在Thread对象中。在线程释放锁之前，每次获取锁时都会检查当前线程是否是同一个线程，如果是，则允许再次获取锁，同时要将state的值加1。而在释放锁时，线程会将state的值减1，直到state的值为0，则表示该锁被完全释放。

下面是一个示例代码，说明了可重入锁的特性：

public class ReentrantLockExample {
    private static final Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 1: First lock acquisition");

                // 这里可以再次获取锁
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println("Thread 1: Second lock acquisition");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("Thread 2: First lock acquisition");
            }