1. 什么是AQS（AbstractQueuedSynchronizer）？

AQS，全称为AbstractQueuedSynchronizer，是Java并发包中核心的基础框架，用于构建锁和同步器。它是java.util.concurrent.locks包中的基础组件，为多个同步类提供了共享的功能，比如ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore等。

AQS的主要作用是：

• 管理锁的状态：通过一个整型状态state变量来表示锁的状态，如是否获取锁，当前锁的持有线程是谁。
• FIFO等待队列：当线程争抢资源失败时，AQS会将其放入一个FIFO（先进先出）队列中进行管理。

2. AQS的工作原理

AQS通过一个整数变量state来表示锁的状态：

• 当state == 0时，表示锁是空闲状态；
• 当state > 0时，表示锁已被线程占用。

AQS通过两种模式来实现锁机制：

• 独占模式（Exclusive）：只有一个线程能获取锁，如ReentrantLock。
• 共享模式（Shared）：多个线程可以同时获取锁，如CountDownLatch。

3. 关键机制

• 获取锁的流程：尝试获取资源（tryAcquire），如果成功则直接执行；否则，进入等待队列。
• 释放锁的流程：通过tryRelease释放资源，唤醒队列中的等待线程。
• 等待队列：如果获取锁失败，线程会被放入等待队列，等待其他线程释放锁资源。

4. Java模拟代码：自定义锁基于AQS

为了深入理解AQS的工作原理，以下是一个基于AQS的简易独占锁的实现：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;

public class CustomLock {
    // 内部类继承AQS，实现独占锁逻辑
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // 尝试获取锁（独占模式）
        @Override
        protected boolean tryAcquire(int acquires) {
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 设置持有锁的线程
                return true;
            }
            return false;
        }

        // 尝试释放锁
        @Override
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            if (getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null); // 清空持有锁的线程
            setState(0); // 设置状态为0，表示锁已释放
            return true;
        }

        // 是否被占用
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }
    }

    private final Sync sync = new Sync();

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

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

    public boolean isLocked() {
        return sync.isHeldExclusively();
    }
}

public class CustomLockTest {
    public static void main(String[] args) {
        CustomLock lock = new CustomLock();

        // 创建多个线程模拟锁的竞争
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is trying to acquire the lock.");
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has acquired the lock.");
                    Thread.sleep(2000); // 模拟业务处理
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is releasing the lock.");
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

5. 代码详细解释

1. Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer：

   • tryAcquire：尝试获取锁，通过CAS操作（compareAndSetState(0, 1)）来判断当前锁是否空闲。如果成功获取锁，则设置当前线程为锁的持有者。
   • tryRelease：释放锁时，检查锁状态并将其设置为0，同时清除持有锁的线程信息。
   • isHeldExclusively：用于检查当前线程是否持有锁。

2. CustomLock类：

   • lock()：调用AQS的acquire方法尝试获取锁。
   • unlock()：调用AQS的release方法释放锁。

3. CustomLockTest类：

   • 创建多个线程，模拟锁的竞争。每个线程尝试获取锁，成功后模拟业务处理，并在完成后释放锁。

6. 运行结果

运行后，多个线程尝试获取锁，由于我们实现的是独占锁，只有一个线程可以持有锁，其他线程会进入等待状态，直到锁被释放。

示例输出（简化）：

Thread-0 is trying to acquire the lock.
Thread-0 has acquired the lock.
Thread-1 is trying to acquire the lock.
Thread-2 is trying to acquire the lock.
Thread-0 is releasing the lock.
Thread-1 has acquired the lock.
Thread-1 is releasing the lock.
...

从输出中可以看出，多个线程争抢锁，只有一个线程可以获取，其他线程会等待。

7. 使用场景及问题解决

使用场景：

1. 锁的实现：AQS是实现Java锁机制的核心，可以用它实现自定义的同步器，如互斥锁、读写锁等。
2. 信号量：AQS的共享模式可以用来实现Semaphore，允许多个线程同时获取锁。
3. 倒计时器（CountDownLatch）：通过AQS实现线程同步，多个线程等待一个事件发生。

解决的问题：

• 线程安全的资源访问：通过AQS可以确保在多线程环境下，多个线程对共享资源的有序访问，避免竞争条件和数据不一致问题。
• 灵活的同步控制：通过AQS的独占和共享模式，可以实现灵活的同步控制策略，适应不同的业务需求。

8. 借用AQS思想的业务场景

场景示例：分布式任务调度器的锁控制

在分布式系统中，多个节点可能会同时尝试执行某个任务，比如调度定时任务或处理某些业务逻辑。为了防止多个节点同时执行同一个任务，我们可以借助AQS实现分布式任务调度锁。

使用AQS的独占模式，可以保证只有一个节点能够获取锁，并执行任务。其他节点会被阻塞，直到锁被释放。

public class DistributedTaskScheduler {
    private static final CustomLock lock = new CustomLock();

    public static void main(String[] args) {
        // 多个节点模拟任务调度
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    if (lock.isLocked()) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Task already in progress by another node.");
                    } else {
                        lock.lock();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Acquired lock and started task.");
                        Thread.sleep(3000); // 模拟任务执行
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Released lock and finished task.");
                }
            }).start();
        }
    }
}

解释：

• 在分布式任务调度中，多个节点会尝试获取锁并执行任务，使用AQS确保只有一个节点能成功获取锁，防止任务重复执行。