AQS(AbstractQueuedSynchronizer)源码分析：Java并发框架的核心设计

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是Java并发框架的终极核心组件，它为构建锁和同步器提供了完整的基础设施。理解AQS的设计原理，是掌握Java高并发编程的关键所在！🚀

作为Java并发包(java.util.concurrent)的基石，AQS支撑了ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等众多同步工具的实现。本文将带你深入分析AQS源码，揭示其精妙的设计思想和实现机制。

AQS的核心数据结构解析

AQS内部使用了一个volatile的变量state来作为资源的标识，同时通过CLH队列(Craig-Lamport-Hagersten队列)来管理等待线程。这种设计保证了线程安全性和高效的资源调度。

从图中可以看出AQS的核心组成：

• 资源状态(state)：用绿色矩形表示，通过getState()、setState()、compareAndSetState()三个原子操作方法来管理
• CLH队列：FIFO的双向链表结构，包含head节点和tail节点
• 等待线程：每个节点对应一个等待获取资源的线程

AQS的两种资源共享模式

AQS支持两种不同的资源共享模式，满足不同的并发需求：

独占模式(Exclusive)

资源是独占的，一次只能一个线程获取。ReentrantLock就是典型的独占模式实现，它通过state变量记录锁的重入次数，实现可重入特性。

共享模式(Share)

同时可以被多个线程获取，具体的资源个数可以通过参数指定。Semaphore和CountDownLatch都是共享模式的代表。

AQS获取资源的完整流程

AQS获取资源的流程设计非常精妙，体现了模板方法模式的优雅应用：

步骤1：tryAcquire尝试直接获取

线程首先调用子类实现的tryAcquire(int)方法尝试直接获取资源。如果成功，流程结束；如果失败，进入下一步。

步骤2：addWaiter加入等待队列

如果直接获取失败，线程会通过addWaiter(Node.EXCLUSIVE)方法将自己封装为Node节点，并通过CAS自旋操作安全地插入到队列尾部。

步骤3：acquireQueued自旋等待

新节点加入队列后，进入acquireQueued循环。此时队列头部的节点会尝试唤醒下一个节点，该节点再次调用tryAcquire尝试获取资源。

// AQS获取资源的入口方法
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

AQS释放资源的简洁实现

相比于获取资源的复杂流程，AQS释放资源的实现相对简单：

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

释放资源时，AQS会唤醒等待队列中的下一个节点，让该节点有机会获取资源。

AQS与Java锁优化的关系

AQS的设计与Java的锁优化机制密切相关：

偏向锁适用于单线程重复获取锁的场景，通过对象头中的线程ID匹配来避免CAS操作的开销。

轻量级锁则适用于线程交替获取锁的场景，通过CAS操作替代重量级锁的阻塞。

为什么AQS如此重要？

1. 性能优化：AQS通过CLH队列和CAS操作，避免了传统同步机制的性能瓶颈。

2. 扩展性强：通过模板方法模式，子类只需要实现几个关键方法就能构建自定义同步器。

3. 可靠性高：经过多年生产环境验证，是Java并发编程的稳定基石。

总结

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)作为Java并发框架的核心，其设计体现了高效、可靠、可扩展的工程思想。掌握AQS的原理，不仅能够更好地理解Java并发工具的实现，还能为设计高性能并发系统提供重要参考。

通过本文的源码分析，相信你已经对AQS的核心机制有了深入理解。在实际开发中，合理利用AQS构建的同步工具，能够显著提升程序的并发性能和稳定性。