理解AQS：AbstractQueuedSynchronizer简介

# 1. AQS简介

### 1.1 什么是AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中的一个同步器框架，它提供了一种基于共享式或独占式的锁的实现机制。AQS封装了同步状态的管理、线程的队列、线程的阻塞与唤醒等底层操作，使得开发者可以更轻松地实现自定义的同步器。

AQS的核心思想是使用一个整型变量表示同步状态并通过CAS（CompareAndSwap）操作修改该状态，从而实现对共享资源的控制。它允许多个线程同时访问共享资源，也可以通过独占式获取锁的方式实现线程的互斥访问。

### 1.2 AQS的作用和优势

AQS作为一个同步器框架，具有以下几个作用和优势：

1. 提供了一种由编写者自定义实现的同步机制。通过继承AQS类并重写其中的方法，可以灵活地实现各种同步需求。

2. 支持独占式和共享式的同步。AQS提供了两种同步模式，可以根据实际需求选择适合的模式。

3. 高效的阻塞线程管理。AQS内部维护了一个同步队列，能够高效地管理等待获取锁的线程，避免了一直轮询的消耗。

4. 公平性支持。AQS提供了公平锁和非公平锁两种方式，能够满足不同场景下的需求。

5. 内置的条件变量。AQS提供了Condition接口，可以方便地实现线程的等待和唤醒机制。

6. 可以与其他并发框架结合使用。AQS作为一个底层的同步器框架，可以被更高层次的同步工具（如ReentrantLock、CountDownLatch等）所使用，进一步提升了并发编程的效率。

总结：AQS是Java中一个强大的同步器框架，通过封装底层同步状态管理和线程阻塞的操作，提供了一种简单而灵活的方式来实现多线程间的同步与互斥控制。它的作用和优势使得它在多线程编程中得到广泛的应用。

# 2. AQS的内部结构

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包中一个非常重要的类，它作为同步器的基础，为实现各种同步组件提供了框架和基础支持。AQS的内部结构由同步器状态、同步队列以及独占式同步和共享式同步三部分组成。

#### 2.1 同步器状态

AQS中的同步器状态指的是一个整型变量，用于表示当前同步状态。它可以被线程上锁或释放，从而实现线程的同步操作。同步器状态可以采用排它方式，即独占式同步，也可以采用共享方式，即共享式同步。

#### 2.2 同步队列

AQS的同步队列是一个FIFO双向队列，用于存储正在等待获取同步状态的线程。它是通过节点（Node）来表示每个线程的状态，节点中包含了线程引用以及线程等待条件等信息。同步队列的头节点表示当前占有同步状态的线程，其他线程则按照排队顺序等待获取锁。

#### 2.3 独占式同步和共享式同步

AQS支持两种同步方式：独占式（Exclusive）同步和共享式（Shared）同步。

独占式同步允许同一时间只有一个线程占有锁，其他线程必须等待该线程释放锁才能获取。这种方式通常用于实现互斥锁的功能，例如ReentrantLock就是基于独占式同步实现的。

共享式同步允许多个线程同时占有锁，通常用于实现一些共享资源的访问控制。例如，Semaphore可以通过共享式同步来控制同时访问的线程数量。

AQS通过内部的同步状态和同步队列，灵活地支持独占式和共享式同步，使得开发者可以根据实际需求来选择适合的同步方式。

以上就是AQS的内部结构，了解它的组成可以帮助我们更好地理解AQS的工作原理和应用场景。在接下来的章节中，我们将进一步探讨AQS的核心方法和应用场景。

# 3. AQS的核心方法

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是实现并发同步器的基础框架，它提供了一些核心的同步方法，用于管理同步状态、线程的获取和释放等操作。在AQS中，核心方法可以分为以下几类：

#### 3.1 acquire()与release()方法

acquire()和release()是AQS中最基本的同步方法。它们可以分为独占式同步方法和共享式同步方法两种：

##### 3.1.1 独占式同步方法

独占式同步方法意味着同一时刻只能有一个线程能够获取到同步资源。常用的独占式同步器是ReentrantLock。

ReentrantLock是AQS提供的独占式同步器的一种实现。下面是一个ReentrantLock的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        // 线程1
        new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock(); // 获取锁
                System.out.println("Thread 1 acquired the lock");
                Thread.sleep(2000); // 模拟线程执行时间
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock(); // 释放锁
            }
        }).start();

        // 线程2
        new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock(); // 获取锁
                System.out.println("Thread 2 acquired the lock");
            } finally {
                lock.unlock(); // 释放锁
            }
        }).start();
    }
}

在上面的示例中，线程1首先获取到了锁，并执行了一段代码后释放了锁，然后线程2获取到了锁并执行了自己的代码。由于ReentrantLock是可重入锁，所以线程1再次获取锁时不会被阻塞。

##### 3.1.2 共享式同步方法

共享式同步方法意味着多个线程可以同时获取到同步资源，常用的共享式同步器是Semaphore和CountDownLatch。

Semaphore是AQS提供的共享式同步器的一种实现，它常用于限制同时访问某个资源的线程数量。下面是一个Semaphore的示例代码：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 同时允许3个线程访问

    public static void main(String[] args) {
        // 创建10个线程
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            final int threadId = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire(); // 获取许可
                    System.out.println("Thread " + threadId + " acquired the semaphore");
                    Thread.sleep(2000); // 模拟线程执行时间
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    semaphore.release(); // 释放许可
                }
            }).start();
        }
    }
}

在上面的示例中，创建了10个线程，但由于Semaphore只允许同时有3个线程访问，所以只有部分线程能够同时获取到许可，其他线程则需要等待释放许可的线程。

#### 3.2 tryAcquire()与tryRelease()方法

tryAcquire()和tryRelease()是AQS中的非阻塞式的同步方法。它们不会阻塞线程，而是立即返回一个布尔值，表示是否成功获取或释放同步资源。这些方法常用于实现自定义同步器，需要根据具体的应用场景来实现。

#### 3.3 acquireShared()与releaseShared()方法

acquireShared()和releaseShared()是AQS中共享式同步方法的扩展，与acquire()和release()类似，但可以控制多个线程的获取和释放。这些方法常用于实现共享资源的控制，如实现线程池、读写锁等。

以上是AQS的核心方法介绍，在实际应用中，我们可以根据具体的需求选择合适的方法来实现并发控制和同步操作。

# 4. AQS的应用场景

在这一章节中，我们将详细介绍AQS在不同场景下的应用。我们将会重点讨论ReentrantLock、CountDownLatch和Semaphore等常见类的实现原理，以及其与AQS的关系。

### 4.1 ReentrantLock的实现

ReentrantLock是Java中常用的独占锁实现，它使用AQS作为同步器来实现锁的获取和释放。下面是ReentrantLock的简单实现示例：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class ReentrantLock {
    private final Sync sync = new Sync();

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // ...
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int arg) {
            // ...
        }

        @Override
        protected boolean tryRelease(int arg) {
            // ...
        }
        // ...
    }

    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

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

在这段代码中，ReentrantLock内部使用Sync来继承AbstractQueuedSynchronizer，并且实现了tryAcquire和tryRelease方法。lock方法和unlock方法则调用了Sync的acquire和release方法来实现锁的获取和释放。

### 4.2 CountDownLatch的实现

CountDownLatch是一种多线程同步工具，它可以让一个或多个线程等待其他线程完成操作后再继续执行。在其内部实现中，CountDownLatch使用AQS来实现线程的等待和唤醒。

下面是CountDownLatch的简单实现示例：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class CountDownLatch {
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        Sync(int count) {
            setState(count);
        }

        int getCount() {
            return getState();
        }

        void countDown() {
            releaseShared(1);
        }

        void await() throws InterruptedException {
            acquireSharedInterruptibly(1);
        }
    }

    private final Sync sync;

    public CountDownLatch(int count) {
        if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
        this.sync = new Sync(count);
    }

    public void countDown() {
        sync.countDown();
    }

    public void await() throws InterruptedException {
        sync.await();
    }
}

在这段代码中，CountDownLatch使用了AQS的共享式同步来实现线程的等待和唤醒，通过acquireShared和releaseShared方法来控制线程的状态。

### 4.3 Semaphore的实现

Semaphore是一种常用的同步工具，它可以控制同时访问特定资源的线程数量。在其内部实现中，Semaphore也使用AQS来保证线程安全的访问资源。

以下是Semaphore的简单实现示例：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class Semaphore {
    private final Sync sync;

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }

        int getPermits() {
            return getState();
        }

        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            // ...
        }

        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            // ...
        }

        void release(int permits) {
            if (tryReleaseShared(permits)) {
                // ...
            }
        }

        void acquire(int permits) {
            if (tryAcquireShared(permits) < 0)
                // ...
        }
    }

    public Semaphore(int permits) {
        sync = new Sync(permits);
    }

    public void acquire() {
        sync.acquire(1);
    }

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

在这段代码中，Semaphore使用了AQS的共享式同步来实现对资源的控制，通过tryAcquireShared和tryReleaseShared方法来实现多个线程对资源的安全访问。

通过以上的示例，我们可以清晰地看到AQS在ReentrantLock、CountDownLatch和Semaphore等类的实现中发挥了重要作用，并帮助实现了这些高效且安全的多线程同步工具。

以上便是AQS在应用场景中的具体内容，接下来我们将继续介绍AQS的扩展与自定义。

# 5. AQS的扩展与自定义

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java中用于实现同步器的基础框架，它提供了强大的功能和灵活性，使得开发者可以根据自己的需求来扩展和自定义同步器。在本章中，我们将介绍AQS的一些扩展和自定义方法以及应用场景。

#### 5.1 Condition接口

在AQS中，Condition接口可以与Lock配合使用，用于实现更灵活的线程等待/通知机制。Condition接口提供了await()和signal()等方法，分别用于线程等待和线程唤醒操作。

下面是一个使用Condition接口的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();
    private boolean flag = false;
    public void doSomething() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (!flag) {
                condition.await();
            }
            // 执行业务逻辑
            System.out.println("Doing something...");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void signal() {
        lock.lock();
        try {
            flag = true;
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上面的示例代码中，我们使用Lock接口与Condition接口配合使用。线程在执行doSomething()方法时，如果flag为false，则调用condition的await()方法进行等待；当其他线程调用signal()方法将flag设置为true时，之前等待的线程将被唤醒。

#### 5.2 实现自定义的同步器

AQS允许开发者通过继承它来实现自定义的同步器。我们可以通过重写AQS的protected方法来实现自己的同步逻辑。

下面是一个自定义同步器的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        // 获取同步状态，如果成功返回true，否则返回false
        return compareAndSetState(0, 1);
    }
    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        // 释放同步状态
        setState(0);
        return true;
    }
    public void doSomething() {
        // 申请同步状态
        acquire(1);
        try {
            // 执行业务逻辑
            System.out.println("Doing something...");
        } finally {
            // 释放同步状态
            release(1);
        }
    }
}

在上面的示例代码中，我们通过继承AQS，并重写tryAcquire()和tryRelease()方法，实现了一个自定义的同步器。在doSomething()方法中，首先调用acquire()方法获取同步状态，然后执行业务逻辑，最后调用release()方法释放同步状态。

使用AQS进行同步器的自定义，可以在特定场景下实现更加灵活和高效的同步逻辑。

至此，我们已经介绍了AQS的扩展与自定义方法，包括Condition接口和自定义同步器的实现。通过灵活运用这些特性，可以实现更加高级的同步需求。接下来，将介绍AQS的性能优化与注意事项。

# 6. AQS的性能优化与注意事项

在使用AQS时，尽管它提供了强大的同步机制，但在性能上仍可能存在一些问题。在这一部分，我们将讨论AQS的性能问题以及相应的解决方案，同时也会介绍在使用AQS时需要注意的事项。

#### 6.1 AQS的性能问题与解决方案

AQS在实现同步功能的同时，可能会出现性能上的瓶颈。其中一些常见的性能问题包括自旋等待、线程唤醒的成本以及同步队列的操作开销。针对这些问题，我们可以采取以下一些优化措施：

- **自旋等待优化**：在使用AQS时，线程可能会采取自旋等待的方式来获取同步资源，这可能会导致CPU资源的浪费。为了解决这一问题，可以使用适当的自旋等待策略，例如自适应自旋、短暂的自旋等待等，以减少自旋等待对CPU资源的消耗。

- **线程唤醒成本的优化**：AQS在唤醒等待线程时，会涉及到线程调度、上下文切换等开销较大的操作。为了优化线程唤醒的成本，可以考虑使用更轻量级的线程通知机制，或者减少不必要的线程唤醒操作。

- **同步队列的操作开销优化**：同步队列是AQS中用于管理等待线程的重要数据结构，但同步队列的操作可能会存在一些开销。在实际应用中，可以根据具体场景对同步队列进行优化，例如采用无锁队列等数据结构，或者对队列的操作进行批量化等优化策略。

#### 6.2 在使用AQS时需要注意的事项

除了性能优化外，在使用AQS时还需要注意一些细节，以避免潜在的问题：

- **避免死锁**：在使用AQS时，需要特别注意避免死锁的发生。合理设计同步资源的获取顺序、及时释放同步资源等是避免死锁的关键。

- **避免饥饿**：使用AQS时，要确保公平地分配同步资源，避免某些线程长时间无法获取到同步资源，造成饥饿现象。

- **谨慎使用可重入资源**：AQS支持可重入的同步机制，但在使用可重入资源时，要谨慎设计同步策略，避免出现不必要的重复获取同步资源的情况。

通过注意以上优化措施和注意事项，我们可以更有效地利用AQS提供的强大同步机制，并且最大程度地避免性能问题和潜在的同步错误。