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Java AQS（Abstract Queued Synchronized）深度解析

java 2025/7/21 13:45:38

一、AQS概述

AQS是Java并发包中的核心框架，为构建锁和同步器提供了基础实现。它是JUC（java.util.concurrent）包中大多数同步类的基石，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等都基于AQS实现。

1.1 AQS核心思想

AQS的核心思想是：

如果请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并将共享资源设置为锁定状态
如果共享资源被占用，则需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制

AQS使用一个volatile的int成员变量state来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作，通过CAS完成对State值的修改。

1.2 AQS主要功能

AQS主要完成三个核心任务：

同步状态（如计数器）的原子性管理
线程的阻塞和唤醒
等待队列的管理

二、AQS核心组件

2.1 同步状态（state）

AQS使用一个volatile int变量state来表示同步状态：

private volatile int state;

state的具体含义由实现类决定：

在ReentrantLock中，表示锁的占有情况（0表示未被占用，>0表示重入次数）
在Semaphore中，表示剩余许可证数量
在CountDownLatch中，表示还需要倒数的数量

AQS提供了三种操作state的方法：

protected final int getState() {return state;
}protected final void setState(int newState) {state = newState;
}protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

2.2 同步队列（CLH队列）

AQS维护一个FIFO的双向链表（CLH队列变体），用于存放等待获取锁的线程

。队列中的节点是Node类的实例，主要包含以下属性：

static final class Node {volatile int waitStatus;  // 节点状态volatile Node prev;       // 前驱节点volatile Node next;       // 后继节点volatile Thread thread;   // 节点关联的线程Node nextWaiter;          // 条件队列的下一个节点
}

节点状态waitStatus有四种取值：

CANCELLED(1)：节点被取消
SIGNAL(-1)：后继节点需要被唤醒
CONDITION(-2)：节点在条件队列中等待
PROPAGATE(-3)：共享模式下状态需要传播

2.3 条件队列

AQS还支持条件队列（ConditionObject），用于实现等待/通知机制。与同步队列不同，条件队列是单向链表。

条件队列的使用方式：

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();// 等待条件
lock.lock();
try {condition.await();
} finally {lock.unlock();
}// 通知条件
lock.lock();
try {condition.signal();
} finally {lock.unlock();
}

三、AQS工作原理

3.1 独占模式（如ReentrantLock）

3.1.1 获取锁流程

tryAcquire：子类实现，尝试获取锁
addWaiter：获取失败，将当前线程包装成Node加入同步队列尾部
acquireQueued：在队列中自旋尝试获取锁，失败则阻塞

关键代码：

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

3.1.2 释放锁流程

tryRelease：子类实现，尝试释放锁
unparkSuccessor：唤醒后继节点

关键代码：

public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);return true;}return false;
}

3.2 共享模式（如CountDownLatch）

3.2.1 获取共享锁

public final void acquireShared(int arg) {if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireShared(arg);
}

3.2.2 释放共享锁

public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();return true;}return false;
}

四、AQS在JUC中的应用

4.1 ReentrantLock

ReentrantLock通过内部类Sync（继承AQS）实现锁功能，分为公平锁和非公平锁两种实现。

公平锁与非公平锁区别：

非公平锁在lock()时直接尝试CAS获取锁，不检查队列
公平锁在tryAcquire()中会检查是否有前驱节点在等待

4.2 CountDownLatch

CountDownLatch使用AQS的共享模式实现。初始化时设置state为计数次数，countDown()减少state，await()等待state变为0。

4.3 Semaphore

Semaphore也是共享模式实现，state表示可用许可证数量。acquire()获取许可证，release()释放许可证。

五、AQS设计模式

AQS采用模板方法模式，定义了获取/释放锁的骨架逻辑，具体实现由子类完成。

需要子类实现的方法：

tryAcquire/tryRelease：独占模式
tryAcquireShared/tryReleaseShared：共享模式
isHeldExclusively：是否独占

六、AQS性能优化

CAS操作：通过Unsafe类实现原子状态更新
自旋等待：线程不会立即阻塞，而是先自旋尝试获取锁
队列优化：减少线程上下文切换

七、AQS与synchronized对比

特性	AQS	synchronized
实现方式	Java代码实现	JVM内置实现
锁获取方式	可中断、可超时	不可中断
公平性	可支持公平/非公平	非公平
条件队列	支持多个条件	单个条件
性能	高竞争下表现更好	低竞争下更优