AQS源码解读：从ReentrantLock到Semaphore的底层实现

# 1. 引言

## 1.1 AQS的概述

在并发编程中，线程间的同步与互斥是非常重要的问题。Java中的并发包（java.util.concurrent）提供了一些常用的工具类来解决这些问题，其中最重要的一种就是AQS（AbstractQueuedSynchronizer）。

AQS是Java并发包中用于构建锁和其他同步器的基础框架。它提供了一套标准的接口和底层实现，使得开发者可以自定义同步器来满足特定的需求。AQS的核心思想是通过一个同步状态（state）来控制线程的访问，从而实现线程的同步与互斥。

## 1.2 AQS在并发编程中的应用

AQS在Java并发编程中扮演着非常重要的角色，广泛应用于各种锁（如ReentrantLock、ReadWriteLock）、信号量（Semaphore）、倒计时门栓（CountDownLatch）、屏障（CyclicBarrier）等同步工具的实现中。

通过AQS，我们可以实现自己的同步器，从而满足特定的并发控制需求。AQS提供了一套底层机制，以及对应的同步队列和等待队列，开发者可以通过继承AQS类并重写相关方法来实现自定义同步器。

## 1.3 本文内容介绍

本文将深入探讨AQS的底层实现原理和主要的应用场景。首先，我们会介绍ReentrantLock和Semaphore这两个常用同步工具的底层实现；然后，我们会详细分析AQS的框架结构以及同步队列和等待队列的实现原理；接着，我们会讨论AQS的独占模式和共享模式，并对比ReentrantLock和Semaphore在不同模式下的实现原理；最后，我们会总结本文并展望AQS底层实现的限制与优化方向，并介绍AQS在实际开发中的应用案例。

接下来，我们将从ReentrantLock的底层实现开始，深入探究AQS的奥秘。

# 2. ReentrantLock的底层实现

#### 2.1 ReentrantLock的基本特性

ReentrantLock（可重入锁）是Java中用于替代synchronized关键字的一种锁机制。它具有可重入性、公平性和锁中断等特性，能够更灵活地控制多线程的并发访问。在本节中，我们将深入探讨ReentrantLock的底层实现原理。

#### 2.2 ReentrantLock类的源码结构

// ReentrantLock类的源码结构
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    // 内部AQS同步器
    private final Sync sync;
    // 内部抽象类Sync
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // ...
    }

    // 非公平锁实现
    static final class NonfairSync extends Sync {
        // ...
    }

    // 公平锁实现
    static final class FairSync extends Sync {
        // ...
    }
    // ReentrantLock构造函数
    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
    // ReentrantLock构造函数（指定公平/非公平）
    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
    // ...
}

#### 2.3 ReentrantLock的lock方法的实现原理

// ReentrantLock的lock方法的实现原理
public class ReentrantLock {
    // 加锁操作
    public void lock() {
        sync.lock(); // 委托给内部AQS同步器来实现
    }
}

// Sync类中的lock方法
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 加锁实现
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        } else {
            acquire(1); // 调用AQS的acquire方法
        }
    }
}

**代码总结：** ReentrantLock的lock方法内部调用了内部AQS同步器的acquire方法，通过CAS操作来获取锁，若获取不到则进入同步队列等待。

#### 2.4 ReentrantLock的unlock方法的实现原理

// ReentrantLock的unlock方法的实现原理
public class ReentrantLock {
    // 解锁操作
    public void unlock() {
        sync.release(1); // 委托给内部AQS同步器来实现
    }
}

// Sync类中的release方法
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 释放锁实现
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        if (getState() == 0)
            throw new IllegalMonitorStateException();
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        if (c == 0) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return c == 0;
    }
}

**代码总结：** ReentrantLock的unlock方法内部调用了内部AQS同步器的release方法，调用tryRelease来释放锁，并唤醒等待线程。

#### 2.5 ReentrantLock的Condition条件变量的底层实现

// ReentrantLock的Condition条件变量的底层实现
public class ReentrantLock {
    // 创建Condition
    public Condition newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }
}

// Sync类中的ConditionObject
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // ConditionObject内部实现
    static final class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        // ...
    }
}

**代码总结：** ReentrantLock的Condition条件变量其实是ConditionObject对象的实例化，内部使用AQS实现条件队列等待机制。

这一节我们详细分析了ReentrantLock的底层实现原理，包括lock方法、unlock方法以及Condition条件变量的实现方式。接下来，我们将深入探讨Semaphore的底层实现。

# 3. Semaphore的底层实现

Semaphore是一个计数信号量，用于控制同时访问特定资源的线程数量。它通过内部的计数器来实现加锁和解锁操作，可以有效地限制并发访问资源的线程数量。在本章节中，我们将深入探讨Semaphore的底层实现原理。

#### 3.1 Semaphore的基本特性

Semaphore具有以下基本特性：
- 内部维护了一个计数器，用于控制资源的访问数量。
- acquire()方法用于获取许可，如果当前许可数量大于0，则获取成功；否则进入阻塞状态，直到有其他线程释放许可。
- release()方法用于释放许可，增加计数器的值，并唤醒可能等待的线程。

#### 3.2 Semaphore类的源码结构

Semaphore类的源码结构包括成员变量、构造方法和核心方法等。在源码实现中，Semaphore依赖于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)来实现对许可的获取和释放。

#### 3.3 Semaphore的acquire方法的实现原理

Semaphore的acquire方法实现原理涉及到AQS的底层机制。当调用acquire方法时，Semaphore会调用AQS的acquireShared方法来尝试获取许可。如果获取失败，则当前线程将会被加入到等待队列中，直到有许可被释放为止。

下面是Semaphore的acquire方法的简化实现（基于Java语言）：

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireShared(1);
}

// AQS中的acquireShared方法
// 如果没有许可，则线程将会进入等待队列
public final void acquireShared(int arg) throws InterruptedException {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

#### 3.4 Semaphore的release方法的实现原理

Semaphore的release方法实现原理也是依赖于AQS的底层机制。当调用release方法时，Semaphore会调用AQS的releaseShared方法来释放许可，并唤醒等待队列中的线程。

下面是Semaphore的release方法的简化实现（基于Java语言）：

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

// AQS中的releaseShared方法
// 释放许可，并唤醒等待队列中的线程
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

通过以上对Semaphore的底层实现原理的解析，我们可以更深入地理解Semaphore在控制并发访问中的作用，以及它如何利用AQS来实现对许可的获取和释放。

# 4. AQS的框架结构

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中提供的一个抽象框架，用于构建锁和同步器等并发工具。本节将深入解析AQS的框架结构，包括类的源码结构、状态管理机制、同步队列实现原理和等待队列实现原理。

#### 4.1 AQS类的源码结构解析

AQS框架的核心是`AbstractQueuedSynchronizer`类，其源码结构如下：

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer {
    // 构造函数
    // CLH 队列实现
    // acquire 方法
    // release 方法
    // 条件变量实现
}

在`AbstractQueuedSynchronizer`类中，包含了对同步状态的管理、同步队列的维护、线程的阻塞与唤醒等核心方法的实现。

#### 4.2 AQS的状态管理机制

AQS通过一个`state`变量来管理同步状态，利用CAS原子操作来对`state`进行更新和比较。当`state`为0时，表示当前同步器没有被线程获取，大于0时表示已被获取，小于0时表示有多个线程获取。

#### 4.3 AQS的同步队列实现原理

AQS使用一个FIFO的双向队列来维护等待获取同步状态的线程。它通过`Node`节点和`CLH`（Craig, Landin, and Hagersten）队列来实现。每个等待线程会被封装成一个`Node`节点，以便进行队列管理。

#### 4.4 AQS的等待队列实现原理

当线程无法获取同步状态时，会被加入到同步队列的等待队列中。AQS会自动将等待队列中处于等待状态的线程阻塞，直到符合某一条件后再被唤醒。

通过对AQS的框架结构进行深入理解，可以更好地掌握并发编程中锁与同步的原理和实现方式。

# 5. AQS的独占模式与共享模式

### 5.1 AQS的独占模式理解

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是并发编程中一个重要的框架，它提供了一种基于队列的同步器的实现方式。在AQS中，支持两种模式：独占模式和共享模式。

独占模式指的是只有一个线程可以获取同步状态，其他线程必须等待该线程释放同步状态后才能继续执行。ReentrantLock就是一个典型的独占锁的例子。它通过实现AQS的独占模式来保证同一时刻只有一个线程可以获取锁。

独占模式的实现原理主要依赖于AQS的同步队列。当一个线程尝试获取锁时，如果锁已经被其他线程获取，则当前线程会被放入同步队列中进行等待。当锁释放时，AQS会从同步队列中选择一个线程唤醒，使其获取到锁。这种通过同步队列来管理线程的等待与唤醒机制，实现了独占模式的效果。

### 5.2 AQS的共享模式理解

共享模式指的是多个线程可以同时获取同步状态，不需要等待其他线程释放同步状态。Semaphore就是一个典型的共享锁的例子。它通过实现AQS的共享模式来允许多个线程同时获取信号量。

共享模式的实现原理同样是依赖于AQS的同步队列。当一个线程尝试获取共享锁时，AQS会判断当前是否有线程持有独占锁，如果有，则当前线程会被放入等待队列中进行等待。当独占锁释放后，AQS会依次唤醒等待队列中的线程，使其获取共享锁。这种通过等待队列来管理线程的等待与唤醒机制，实现了共享模式的效果。

### 5.3 ReentrantLock的独占模式与Semaphore的共享模式实现原理对比

ReentrantLock是一个典型的独占锁，而Semaphore是一个典型的共享锁。它们在实现上对应了AQS的独占模式和共享模式。

在ReentrantLock的独占模式下，同一时刻只有一个线程可以获取到锁，其他线程需要等待锁被释放后才能继续执行。而Semaphore的共享模式则允许多个线程同时获取信号量，不需要等待其他线程释放信号量。

这两种模式的实现原理都是通过AQS的同步队列进行管理的。不同的是，在独占模式下，同步队列中只会有一个节点，而在共享模式下，同步队列中可以有多个节点。

总结来说，AQS的独占模式与共享模式实现了线程间的同步与互斥，分别适用于不同的并发场景。了解这两种模式的实现原理有助于我们更好地理解并发编程中的同步机制的工作原理。

# 6. 总结与展望

### 6.1 本文总结

通过本文的讲解，我们对AQS的底层实现及其在并发编程中的应用有了更深入的了解。我们首先介绍了AQS的概述，并指出了它在并发编程中的重要性。然后，我们通过具体的代码实现，深入剖析了ReentrantLock和Semaphore这两个并发类的底层实现原理。最后，我们详细解析了AQS的框架结构及其独占模式与共享模式的特点。

在本文中，我们对ReentrantLock和Semaphore进行了源码解析，分析了它们的lock和unlock方法、acquire和release方法的实现原理。这些底层实现细节的了解，对于我们深入理解并发编程的原理和机制具有重要意义。

同时，本文还对AQS的框架结构进行了解析，并详细介绍了AQS的状态管理机制、同步队列实现原理以及等待队列实现原理。这些内容的掌握，对于我们能够编写高效、安全的并发代码具有重要的指导意义。

### 6.2 AQS底层实现的限制与优化方向展望

然而，虽然AQS作为并发编程中的重要工具，在实际应用中已经取得了广泛的应用和认可，但它的底层实现仍然存在一些限制。首先，AQS的底层实现依赖于JVM的内部机制，在不同的虚拟机实现中会有不同的表现和性能特点。其次，AQS的同步队列实现在高并发场景下可能存在性能瓶颈，需要进一步优化。

对于AQS底层实现的优化方向，我们可以考虑以下几个方面。首先，可以通过优化AQS的同步队列实现，减少线程的竞争和等待时间，提高并发效率。其次，可以针对不同的虚拟机实现，进行特定的优化和适配，进一步提升AQS的性能和稳定性。最后，可以考虑引入新的数据结构和算法，替代或增强AQS的现有实现，以满足更高效的并发编程需求。

### 6.3 AQS在实际开发中的应用案例介绍

在实际的开发中，AQS被广泛应用于各种并发编程场景。以下是AQS在实际开发中的一些应用案例介绍：

- **实现可重入锁**：ReentrantLock作为AQS的一个典型应用案例，实现了可重入锁的功能。通过AQS的状态管理和同步队列实现，ReentrantLock可以实现多线程的互斥访问和重入特性，确保代码的安全性和正确性。

- **实现信号量**：Semaphore也是AQS的另一个重要应用案例，它可以通过AQS的状态管理和同步队列实现，实现多线程的资源访问控制。通过Semaphore，我们可以控制同时访问某个资源的线程数量，实现如连接池、线程池等场景。

- **实现闭锁**：CountDownLatch是AQS的一个典型应用案例，它可以通过AQS的状态管理和等待队列实现，实现线程的等待和唤醒机制。通过CountDownLatch，我们可以控制某个线程在其他线程完成某些操作后再继续执行，实现线程间的同步和协作。

综上所述，AQS作为一种功能强大且灵活的并发工具，已经在众多的实际开发场景中得到了广泛的应用。我们可以通过深入理解AQS的底层实现原理和特性，灵活应用于自己的项目中，提高并发编程的效率和质量。

通过本文的学习，相信读者们对AQS的底层实现及其应用有了更全面的认识和理解。在实际开发中，我们可以充分利用AQS这种强大的并发工具，提高代码的并发性能和安全性，从而更好地满足项目的需求。