【Java并发】AQS详解：JUC包背后的“幕后大佬”

在 Java 并发编程（JUC）的世界里，我们经常使用 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore 这些赫赫有名的工具类。

但你是否想过，这些功能各异的工具背后，其实共用着同一套“底盘”？

这就是我们今天要聊的主角——AQS (AbstractQueuedSynchronizer，抽象队列同步器)。它是 JUC 包的心脏，掌握了它，你就掌握了 Java 并发的半壁江山。

一、 什么是 AQS？

AQS 是一个用于构建锁和同步器的框架。

如果把 ReentrantLock、CountDownLatch 等比作是成品的汽车（跑车、卡车、公交车），那么 AQS 就是通用的汽车底盘和引擎。

  • AQS 负责脏活累活：它处理了线程的排队、阻塞、唤醒、线程安全等最复杂的底层逻辑。
  • 同步器负责业务逻辑：具体的工具类只需要告诉 AQS，“什么时候算获取锁成功”，“资源一共有多少”，剩下的交给 AQS 即可。

简单来说，AQS 是一个“原材料”，我们可以根据它加工出各种各样的同步器。

二、 AQS 的核心架构

AQS 的内部并没有多么神秘，它的核心逻辑主要由三部分组成：

1. 核心资源：State (volatile int)

AQS 内部维护了一个 state 变量，用来表示“同步状态”。

  • 这是一个 volatile 修饰的 int 变量，保证了多线程下的可见性。
  • AQS 提供了 CAS (Compare And Swap) 方法来原子性地修改这个值。

这个 state 具体代表什么？AQS 不关心，由子类定义：

  • 在 ReentrantLock 中，state=0 代表没锁，state=1 代表上锁。
  • 在 CountDownLatch 中，state 代表倒计时的数值。
  • 在 Semaphore 中，state 代表剩余的许可证数量。

2. 等待队列：CLH 队列

如果有线程想抢资源（修改 state）失败了怎么办？总不能让它一直死循环空转（自旋）吧？

AQS 会把这些竞争失败的线程包装成一个 Node 节点，加入到一个双向链表（CLH队列）的尾部，并将线程阻塞（Park）。等待持有资源的线程释放后，再唤醒队列头部的线程。

3. 阻塞与唤醒工具

AQS 底层利用 LockSupport 类中的 park() 和 unpark() 方法，真正实现了操作系统的线程挂起和唤醒。

三、 AQS 是如何工作的？（以抢锁为例）

我们可以把 AQS 的工作流程想象成“去银行柜台办理业务”：

  1. 尝试获取 (TryAcquire)：
    • 线程 A 来了，看到柜台窗口（State）是空的（0），立马坐下办理，把窗口状态改为“忙碌”（1）。
  2. 入队 (Enqueue)：
    • 线程 B 来了，发现窗口状态是“忙碌”（1）。
    • AQS 这位大堂经理就会把线程 B 领到旁边的等待区（CLH 队列），让它排在队伍后面，并告诉它：“你先睡会儿（Block），轮到你了叫你”。
  3. 释放与唤醒 (Release & Unpark)：
    • 线程 A 办完业务了，离开柜台，把窗口状态改回“空闲”（0）。
    • AQS 大堂经理发现窗口空了，就去等待区叫醒排在最前面的线程 B：“醒醒，轮到你了”。
    • 线程 B 醒来，高高兴兴去柜台办理业务。

四、 AQS 的设计模式：模板方法模式

AQS 之所以强大，是因为它使用了模板方法设计模式。

AQS 把“排队”、“阻塞”、“唤醒”这些通用的逻辑都写死了（acquire、release 方法）。但是，“如何判断资源是否足够”、“如何修改 state” 这些逻辑是留给子类去实现的。

作为开发者，我们如果想自定义一个锁，只需要继承 AQS 并重写以下几个“钩子方法”：

  • tryAcquire(int): 独占方式。尝试获取资源，成功则返回 true，失败则返回 false。
  • tryRelease(int): 独占方式。尝试释放资源。
  • tryAcquireShared(int): 共享方式。尝试获取资源。
  • tryReleaseShared(int): 共享方式。尝试释放资源。
  • isHeldExclusively(): 该线程是否正在独占资源。

五、 AQS 的“成品”展示

让我们看看 Java 大佬们是如何利用 AQS 这个“原材料”加工出著名工具类的：

1. ReentrantLock（可重入锁）

  • 模式：独占模式。
  • 加工逻辑：
    • state 初始化为 0。
    • 线程 A 抢锁，通过 CAS 把 state 变成 1。
    • 如果是同一个线程 A 再次抢锁（重入），就把 state 加 1（变成 2, 3…）。
    • 释放锁时，state 减 1，直到减为 0 时才真正释放。

2. CountDownLatch（倒计时器）

  • 模式：共享模式。
  • 加工逻辑：
    • state 初始化为 N（比如 5）。
    • 主线程调用 await()，如果 state > 0，就进入队列等待。
    • 其他线程调用 countDown()，通过 CAS 把 state 减 1。
    • 当 state 减到 0 时，AQS 唤醒队列里所有等待的主线程。

3. Semaphore（信号量）

  • 模式：共享模式。
  • 加工逻辑：
    • state 初始化为许可证数量（比如 3）。
    • 线程来获取许可，state 减 1。
    • 如果 state 变为负数或者不足，线程进入队列等待。
    • 释放许可时，state 加 1。

六、 总结

AQS 是 Java 并发编程的基石。

  • 宏观上：它是一个框架，通过State（资源状态）和CLH Queue（等待队列）来管理线程的同步。
  • 设计上：它采用了模板方法模式，将复杂的队列管理封装起来，只暴露简单的状态修改接口给子类。
  • 应用上：它是 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等工具类的父类（的内部实现）。

理解了 AQS，你就理解了 Java 锁机制的灵魂。下次面试官问你：“ReentrantLock 是怎么实现的？”你就可以自信地从 AQS 的 state 和队列讲起了！

AQS的具体原理可以参考： https://javaguide.cn/java/concurrent/aqs.html

希望这篇文章能帮你彻底搞懂 AQS！如果有帮助，欢迎点赞收藏。