深入理解 Java 并发：AbstractQueuedSynchronizer 源码分析

序言

在多线程编程中，同步机制是保障线程安全和协调线程之间操作顺序的重要手段。AQS 作为 Java 中同步机制的基础框架，为开发者提供了一个灵活且高效的同步工具。本文将通过对 AQS 源码的分析，解读 AQS 的核心实现原理，并深入探讨其在不同同步组件中的应用。

一、什么是 AQS

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AQS 是 AbstractQueuedSynchronizer 的缩写，是 Java 并发包中提供的一个用于实现各种锁和同步器的基础框架。它提供了一种灵活而强大的机制，可以帮助开发者实现各种自定义的锁和同步组件。

AQS 的设计思想是基于等待队列（Wait Queue）和同步状态（Sync State）。它通过维护一个等待队列来管理等待获取同步资源的线程，并使用一个同步状态来表示当前锁或同步器的状态。AQS 提供了一系列方法来操作同步状态和等待队列，包括获取同步状态、释放同步状态、加入等待队列等操作，以及唤醒等待队列中的线程等操作。

AQS 主要包含两个核心方法：tryAcquire 和 tryRelease。这两个方法由具体的同步器实现，用于控制同步状态的获取和释放。通过这两个方法的协作，AQS 可以实现各种类型的锁和同步器，包括独占锁、共享锁、读写锁、信号量等。

AQS 提供了一种基于条件等待和通知的高级线程同步机制，能够满足各种复杂的并发编程需求。它被广泛应用于 Java 并发编程中的各种锁和同步组件的实现，如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch、Semaphore 等。 AQS 提供了一个灵活、高效和可扩展的框架，使得开发者可以轻松地实现自定义的并发控制组件，并充分发挥 Java 并发包提供的丰富功能。

二、AQS 源码结构分析

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {

    // 构造器
    protected AbstractQueuedSynchronizer() { }

    // Node 内部类
    static final class Node {}

    // 构造链表等待队列的头节点
    private transient volatile Node head;

    // 构造链表等待队列的尾节点
    private transient volatile Node tail;

    // 同步状态
    private volatile int state;

    // tryAcquire 方法
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // tryRelease 方法
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // ConditionObject 内部类
    public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {}

    // 省略了其他方法或属性

}

上面是 AbstractQueuedSynchronizer 抽象类的源码，省略了一部分内容，保留了较为核心的内容，我们可以看出其核心结构如下：

同步状态（state）：AQS 内部维护了一个同步状态变量，通常是一个整数，用于表示同步器的状态。这个同步状态是 AQS 控制同步和并发访问的核心。
等待队列（Wait Queue）：AQS 使用等待队列来管理等待获取同步资源的线程。等待队列通常是一个基于 FIFO（先进先出）的数据结构（使用链表实现），确保等待线程的公平竞争和顺序执行。
Node 类：等待队列中的每个节点都是 Node 类的实例，它包含了线程的相关信息以及用于构建队列的链接信息。Node 类中通常包含了指向前驱节点和后继节点的引用，用于构建双向链表。
核心方法：acquire 和 release：用于获取和释放同步状态的方法，是 AQS 中最核心的方法之一。tryAcquire 和 tryRelease：尝试获取和释放同步状态的方法，是具体同步器需要实现的抽象方法。
条件对象（ConditionObject）：条件对象是 AQS 提供的一种机制，用于管理条件队列。

三、AQS 工作原理

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AQS 的核心思想是基于状态的抽象和等待队列的管理。具体来说，当一个线程尝试获取锁或者同步资源时，如果失败了，它会被包装成一个节点加入到等待队列中，然后自旋等待获取锁。当锁的释放动作发生时，AQS 会按照特定的规则选择一个节点来唤醒，从而实现线程的竞争和同步。

四、AQS 关键方法解析

4.1 acquire() 方法

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

acquire 是 AQS 定义获取锁的方法。该方法看似简单其实做了许多事情。首先，尝试使用 tryAcquire 方法来快速尝试获取同步状态，如果失败则将当前线程加入到等待队列中，并自旋等待直到成功获取同步状态为止。如果线程在等待过程中被中断，则会自我中断。

acquire 方法被 final 关键字修饰了，是不可被重写的。acquire 方法其实只是定义了流程，具体逻辑是下放给 tryAcquire 方法了。

protected boolean tryAcquire(int arg) {
throw new UnsupportedOperationException();
}

从上面的源码可以看出 tryAcquire 方法没有具体的实现，需要交由其子类实现。

4.2 release() 方法

public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放锁
if (tryRelease(arg)) {
    // 获取当前等待队列的头节点
    Node h = head;
    // 检查头节点是否存在且其等待状态不为 0
    if (h != null && h.waitStatus != 0)
        // 唤醒后继节点
        unparkSuccessor(h);
    // 释放锁成功，返回 true
    return true;
}
// 释放锁失败，返回 false
return false;
}

release 是 AQS 定义释放锁的方法。该方法与获取锁的 acquire 方法类似，只是定义了释放锁的流程，具体的释放逻辑是交由子类去实现 tryRelease 方法。

五、AQS 深入分析

等待队列与部分核心方法上文已经有过解释了。AQS 剩下的核心内容还有：

同步状态（state）
Node 类
条件对象（ConditionObject）

同步状态是一个整数变量，通常被命名为 state。同步状态用于表示当前同步器的状态信息，可以被不同类型的同步器用于不同的目的。具体来说，同步状态可以代表某种资源的数量、某种资源的可用性或者某种锁的状态等。例如，在独占锁（Exclusive Lock）中，同步状态可以表示锁的占用情况；在共享锁（Shared Lock）中，同步状态可以表示锁的共享数量；在 Semaphore（信号量）中，同步状态可以表示可用的许可数量等。

Node 类是 AQS 中的一个内部类，主要用于构建链表形式的等待队列。每个节点都代表一个等待获取同步资源的线程。

在并发编程中，等待唤醒机制是一种重要的线程同步机制，用于实现线程之间的协作和通信。而 AQS 提供了条件队列用于实现等待唤醒机制，条件队列通常与条件对象一起使用，条件对象是 AQS 提供的一种机制，用于管理条件队列。

六、AQS 在锁和同步组件中的应用

AQS 只是一个抽象类，我们想要使用它必须要实现相关的逻辑。而 Java 基于 AQS 已经给我们提供了许多的实现：

ReentrantLock（重入锁）：ReentrantLock 是 Java 并发包提供的一种独占锁实现，它使用了 AQS 来实现锁的底层逻辑。ReentrantLock 内部持有一个 AQS 实例，通过 AQS 的 acquire 和 release 方法来控制锁的获取和释放，从而实现可重入性和线程安全性。
ReentrantReadWriteLock（重入读写锁）：ReentrantReadWriteLock 是 Java 并发包提供的一种读写锁实现，它也使用了 AQS 来实现锁的底层逻辑。ReentrantReadWriteLock 内部维护了两个 AQS 实例，分别用于读锁和写锁的管理。通过 AQS 的 acquire 和 release 方法来控制读锁和写锁的获取和释放，从而实现读写锁的功能。
CountDownLatch（倒计时门栓）：CountDownLatch 是 Java 并发包提供的一种同步工具，它使用了 AQS 来实现同步等待的逻辑。CountDownLatch 内部持有一个 AQS 实例，通过 AQS 的 acquire 和 release 方法来实现等待和通知的功能。线程调用 await 方法等待计数器归零，而其他线程调用 countDown 方法来减少计数器的值，当计数器归零时，等待的线程被唤醒继续执行。
Semaphore（信号量）：Semaphore 是 Java 并发包提供的一种同步工具，它也使用了 AQS 来实现信号量的逻辑。Semaphore 内部持有一个 AQS 实例，通过 AQS 的 acquire 和 release 方法来控制信号量的获取和释放。线程调用 acquire 方法尝试获取信号量，而其他线程调用 release 方法来释放信号量，从而控制同时访问资源的数量。