详解 Java 多线程中的 AQS | 奥利弗的狗窝

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一、AQS 简介

AQS，全称 AbstractQueuedSynchronizer，是一个抽象类，用于简化实现依赖于 FIFO 等待队列的阻塞锁和相关同步器（如信号量、事件等）的工作。AQS 的核心是一个基于 volatile 变量 state 和 FIFO 队列的实现，提供了对资源的独占和共享两种模式的支持。

AQS 的主要特点包括：

状态管理：AQS 使用一个 volatile int 类型的变量 state 来表示同步状态。子类通过继承 AQS 并实现其方法来改变这个状态。

FIFO 等待队列：AQS 内部维护了一个 FIFO 的等待队列，当线程尝试获取锁失败时，它会被加入这个队列。

模板方法模式：AQS 提供了一些基本操作的实现，如 acquire、release，但具体的锁定和解锁逻辑由子类通过实现具体的模板方法来完成。

二、AQS 的核心组件

要理解 AQS，首先需要了解其核心组件。主要包括以下几个部分：

同步状态（state）：这是一个 volatile 类型的 int 变量，表示同步器的状态。具体含义由子类定义，例如 ReentrantLock 中 state 表示持有锁的次数。

Node 节点：AQS 内部定义了一个静态的嵌套类 Node，它表示等待队列中的一个节点。Node 包含线程信息、等待状态以及前后节点的引用。

等待队列（Queue）：AQS 使用一个双向链表来维护等待线程的队列。

模板方法：AQS 定义了一些模板方法供子类实现，例如 tryAcquire、tryRelease、tryAcquireShared、tryReleaseShared 等。

三、AQS 的工作原理

AQS 的工作原理可以分为以下几个步骤：

获取锁（acquire）：

线程调用同步器的 acquire 方法尝试获取锁。

如果当前状态允许获取锁（通过子类实现的 tryAcquire 方法判断），则直接获取。

如果获取锁失败，线程将被加入等待队列，并进入等待状态。

释放锁（release）：

线程调用同步器的 release 方法释放锁。

如果释放锁后状态允许其他线程获取锁（通过子类实现的 tryRelease 方法判断），则从等待队列中唤醒一个等待的线程。

共享锁（acquireShared 和 releaseShared）：

共享锁允许多个线程同时获取锁，具体逻辑类似于独占锁，只是判断条件和唤醒逻辑有所不同。

获取锁的详细过程

获取锁的过程主要涉及以下几个方法：

acquire(int arg)：这是获取锁的入口方法，最终调用的是同步器的 acquireQueued 方法。

acquireQueued(final Node node, int arg)：线程会被加入到等待队列中，并在队列中自旋等待锁的释放。

addWaiter(Node mode)：将线程封装成一个 Node 节点并加入等待队列。

enq(Node node)：将节点加入到等待队列的尾部。

释放锁的详细过程

释放锁的过程主要涉及以下几个方法：

release(int arg)：这是释放锁的入口方法，最终调用的是同步器的 tryRelease 方法。

tryRelease(int arg)：子类实现具体的释放逻辑。

unparkSuccessor(Node node)：唤醒等待队列中的下一个节点。

四、AQS 的实现细节

在了解了 AQS 的基本概念和工作原理后，我们可以进一步探讨其实现细节。AQS 的实现依赖于 Java 中的一些底层机制，如 CAS（Compare And Swap）操作、volatile 变量和内存屏障等。

CAS 操作

AQS 中大量使用了 CAS 操作来保证状态变更的原子性。CAS 是一种硬件层面的原子操作，通过比较和交换来保证多线程环境下数据操作的安全性。Java 提供了 sun.misc.Unsafe 类来封装底层的 CAS 操作，AQS 通过 Unsafe 类来实现状态变量的原子操作。

volatile 变量

volatile 关键字保证了变量的可见性，即一个线程修改了变量的值，其他线程能够立即看到这个修改。AQS 中的 state 变量被声明为 volatile 类型，以保证多线程环境下状态的及时可见性。

内存屏障

内存屏障是一种同步机制，用于确保特定操作的执行顺序。AQS 中的很多方法使用了内存屏障来保证操作的有序性，从而避免了内存可见性问题。

五、AQS 的应用示例

为了更好地理解 AQS 的工作机制，下面我们来看一些具体的应用示例。我们将探讨如何使用 AQS 来实现一个简单的独占锁和一个共享锁。

实现一个简单的独占锁

首先，我们来看如何使用 AQS 来实现一个简单的独占锁。独占锁是一种只能被一个线程持有的锁，其他线程必须等待锁被释放后才能获取。

在这个示例中，我们通过继承 AQS 实现了一个简单的独占锁。具体步骤如下：

tryAcquire 方法尝试获取锁，如果当前状态是 0（表示未锁定），则通过 CAS 操作将状态设置为 1，并将当前线程设置为锁的持有者。

tryRelease 方法释放锁，将状态设置为 0，并清除锁的持有者。

isHeldExclusively 方法判断当前锁是否被持有。

实现一个简单的共享锁

接下来，我们来看如何实现一个简单的共享锁。共享锁允许多个线程同时持有锁，只有当没有线程持有锁时，新的线程才能获取锁。

在这个示例中，我们通过继承 AQS 实现了一个简单的共享锁。具体步骤如下：

tryAcquireShared 方法尝试获取共享锁，通过循环和 CAS 操作增加状态值，表示持有锁的线程数。

tryReleaseShared 方法释放共享锁，通过循环和 CAS 操作减少状态值，表示持有锁的线程数减少。

六、总结

本文详细介绍了 Java 多线程中的 AQS，涵盖了其基本概念、核心组件、工作原理、实现细节以及具体的应用示例。AQS 是 Java 并发包中的一个强大工具，为实现各种同步器提供了一个灵活且高效的框架。

通过理解和掌握 AQS，开发者可以更加轻松地实现各种复杂的并发控制，提升 Java 多线程编程的能力和效率。希望本文对你深入理解 AQS 有所帮助。