AQS簡介

AQS全稱AbstractQueuedSynchronizer，抽象隊列同步器，是一個實現同步組件的基礎框架。AQS使用一個int類型的成員變量state維護同步狀態，通過內置的同步隊列（CLH鎖、FIFO）完成線程的排隊工作，底層主要是通過CAS操作和volatile特性實現。

它主要包含兩種模式：獨占模式（例如ReentrantLock）和共享模式（例如CountDownLatch）。關鍵方法包括acquire和release，用于獨占模式下的獲取和釋放操作，以及acquireShared和releaseShared，用于共享模式下的操作。

它簡化了同步組件的實現方式，屏蔽了同步狀態的管理、線程的排隊等待與喚醒等底層操作。我們只需要通過繼承實現AQS中的抽象方法，即可實現不同同步語義的同步組件。例如ReentrantLock這種獨占式同步組件，核心邏輯僅重寫了tryAcquire和tryRelease等少數方法，就實現了可重入獨占式鎖的功能。

AQS通過繼承來擴展其功能，子類通過繼承AQS實現抽象方法來管理同步狀態，同步組件則通過聚合子類的方法來實現自己的同步特性，獨占式或共享式。

使用AQS實現一個自定義排他鎖

繼承AQS：
創建一個新的類，繼承AbstractQueuedSynchronizer。

實現核心方法：
實現tryAcquire和tryRelease方法（用于獨占模式），或實現tryAcquireShared和tryReleaseShared方法（用于共享模式）。

內部類Sync：
通常創建一個內部靜態類Sync，擴展AQS并實現上述方法。

對外方法：
在外部類中，提供獲取和釋放的方法，內部調用AQS的方法acquire、release、acquireShared和releaseShared。

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public class SimpleLock {private final Sync sync = new Sync();private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {@Overrideprotected boolean tryAcquire(int arg) {if (compareAndSetState(0, 1)) {setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());return true;}return false;}@Overrideprotected boolean tryRelease(int arg) {if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();setExclusiveOwnerThread(null);setState(0);return true;}@Overrideprotected boolean isHeldExclusively() {return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();}}public void lock() {sync.acquire(1);}public void unlock() {sync.release(1);}public boolean isLocked() {return sync.isHeldExclusively();}
}

使用AQS實現一個自定義共享鎖

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public class SimpleSemaphore {private final Sync sync;public SimpleSemaphore(int permits) {sync = new Sync(permits);}private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {Sync(int permits) {setState(permits);}@Overrideprotected int tryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {int available = getState();int remaining = available - acquires;if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {return remaining;}}}@Overrideprotected boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {int current = getState();int next = current + releases;if (compareAndSetState(current, next)) {return true;}}}}public void acquire() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);}public void release() {sync.releaseShared(1);}
}

同步隊列和條件隊列的區別

同步隊列（synchronization queue）和條件隊列（condition queue）是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）中的兩個不同的隊列，它們有不同的用途和工作機制。

同步隊列

• 用途：管理所有等待獲取鎖或同步狀態的線程。
• 觸發條件：當線程嘗試獲取鎖或同步狀態失敗時進入隊列。
• 結構：雙向鏈表。
• 作用：維護線程的順序，確保公平競爭。
• 喚醒機制：當鎖釋放或同步狀態改變時，喚醒隊列中的下一個線程。

條件隊列

• 用途：管理等待特定條件的線程（通過ConditionObject）。
• 觸發條件：當線程調用await()方法時進入隊列，并釋放當前持有的鎖。
• 結構：單向鏈表。
• 作用：等待特定條件的滿足，如某個狀態的變化。
• 喚醒機制：當條件滿足時（通過signal()或signalAll()），線程從條件隊列移動到同步隊列，等待重新獲取鎖。

為什么await方法一定要加鎖才能調用

我理解條件隊列現在的實現是在await方法先完全釋放鎖，再進入休眠狀態等待喚醒，被喚醒后重新嘗試加鎖。先完全釋放鎖，是為了防止當前線程持有鎖時錯誤休眠，若當前線程持有鎖進入休眠狀態，即使當前線程被喚醒，也是嘗試加鎖而不是解鎖，那么其他線程永遠無法拿到鎖。因此先完全解鎖再休眠，被喚醒后重新嘗試加鎖，應該是出于防止鎖饑餓與死鎖的考慮。

AQS獨占式加鎖（以ReentrantLock加鎖為例）

加鎖流程

加鎖源碼分析

解鎖流程

解鎖源碼分析

CLH鎖（同步隊列的原型）

CLH鎖是對自旋鎖的一種改良，自旋鎖只適合競爭不激烈，加鎖時間短的場景，原因是自旋鎖有2個問題，第一，存在鎖饑餓問題，可能會出現某個線程一直拿不到鎖的情況；第二，鎖狀態中心化，激烈競爭時會導致CPU的高速緩存頻繁失效，導致性能降低。

CLH隊列鎖有效地解決了以上2個問題，首先，CLH鎖通過增加隊列進行排隊，確保所有線程都有機會拿到鎖；第二，CLH鎖的每個線程監視的都是上一個節點的鎖狀態，因此鎖狀態是去中心化的，不會導致CPU高速緩存頻繁失效。

CLH鎖實現源碼

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;public class CLH {private final ThreadLocal<Node> node = ThreadLocal.withInitial(Node::new);private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<>(new Node());private static class Node {// ①鎖定狀態必須用volatile修飾以確保內存可見性private volatile boolean locked;}public void lock() {Node node = this.node.get();node.locked = true;Node pre = this.tail.getAndSet(node);while (pre.locked) ;}public void unlock() {Node node = this.node.get();node.locked = false;// ②重置當前線程對應的Node節點避免死鎖this.node.set(new Node());}
}

原理分析

觀察代碼可以發現，CLH沒有前驅或后繼指針，因為CLH鎖是一種隱式隊列，入隊只需要添加新的tail節點，出隊只需要修改頭部狀態。注釋①處必須用volatile修飾，以確保內存可見性與代碼有序性。注釋②處必須重置線程Node，否則當一個線程重復加鎖時，就有可能死鎖，死鎖原因可以看這篇文章的解鎖分析部分。

CLH鎖的優點是性能優異、實現簡單、加鎖公平、擴展性強。但缺點是有自旋操作，長時間加鎖會浪費CPU性能，再就是功能單一，不支持復雜的功能。

針對以上兩個缺點，AQS都做了改進。針對第一個缺點，將自旋改為了線程阻塞等待；針對第二個缺點，AQS做了很多改造和擴展，例如增加了每個節點的狀態waitStatus、顯式維護了前驅和后繼節點等等，基于這些擴展，AQS實現了獨占鎖、共享鎖、線程排隊、狀態傳播等復雜功能。

參考鏈接

從ReentrantLock的實現看AQS的原理及應用 - 美團技術團隊

AQS 詳解 | JavaGuide

AQS的前菜—詳解CLH隊列鎖_clh鎖-CSDN博客

Java AQS 核心數據結構-CLH 鎖

JUC鎖:核心類AQS源碼詳解 - 拿了桔子跑-范德依彪 - 博客園