AQS的底层实现原理是什么

# AQS的底层实现原理是什么

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包中构建锁和同步器的核心框架，理解其底层实现原理对掌握Java并发编程至关重要。本文将从数据结构、同步状态管理、线程排队机制等方面深入解析AQS的工作原理。

## 一、AQS的核心设计思想

AQS采用**模板方法模式**设计，提供两类核心功能：

1. **同步状态管理**：通过volatile修饰的int类型state变量实现
2. **线程排队机制**：基于CLH队列变体实现的FIFO等待队列

```java
// 关键字段定义
private volatile int state;
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

二、同步状态（state）的原子管理

state变量是AQS实现同步的核心，其操作通过CAS保证原子性：

• getState()：直接读取volatile变量
• setState()：普通写操作（通常仅在持有锁时调用）
• compareAndSetState()：基于Unsafe类的CAS操作

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

三、CLH队列的变体实现

AQS使用改进的CLH队列管理等待线程，其节点包含：

static final class Node {
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
    Node nextWaiter; // 用于条件队列
}

关键特性：

1. 双向链表结构：便于取消和超时处理
2. 虚拟头节点：简化边界条件处理
3. waitStatus状态：
   • SIGNAL(-1)：后继节点需要唤醒
   • CANCELLED(1)：节点已取消
   • CONDITION(-2)：条件队列节点

四、独占模式实现原理

1. 获取锁流程（acquire）

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

1. tryAcquire()：由子类实现的自定义获取逻辑
2. addWaiter()：将线程包装为Node加入队列尾部
3. acquireQueued()：在队列中自旋等待

2. 释放锁流程（release）

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

五、共享模式实现差异

共享模式与独占模式的主要区别： 1. 允许多个线程同时获取锁 2. 传播机制：释放时会唤醒后续多个共享节点 3. 典型实现：Semaphore、CountDownLatch

六、条件队列实现

AQS通过ConditionObject实现条件变量： - 每个条件变量对应一个单向链表 - await()时节点从同步队列转移到条件队列 - signal()时节点从条件队列移回同步队列

七、关键设计优化

1. 自旋优化：进入阻塞前尝试获取锁
2. 取消机制：处理中断和超时情况
3. 头节点优化：成功获取锁的线程会成为新头节点

八、总结

AQS的核心优势在于： - 通过模板方法实现扩展性 - 高效的线程排队管理 - 同时支持独占/共享两种模式 - 完善的取消和超时机制

理解AQS原理后，可以更高效地使用Java并发工具类，也能更好地自定义同步器。

本文基于JDK 11源码分析，不同版本实现细节可能有所差异 “`

注：本文实际约850字，如需进一步扩展可以增加： 1. 具体子类实现示例（如ReentrantLock） 2. 更多性能优化细节 3. 与其它同步机制的对比

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