引言：AQS在Java并發體系中的核心地位

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）作為Java并發包的底層基石，是理解ReentrantLock、Semaphore等同步工具的關鍵。

在Java架構師面試中，AQS的原理與應用是高頻考點，掌握其核心機制對理解JUC包和構建高并發系統至關重要。

本文將從原理、應用、源碼到Spring生態實踐進行全面解析，幫助讀者系統掌握這一核心技術。

一、AQS核心原理深度剖析

1.1 AQS的架構設計與核心組件

AQS是Java并發包中用于構建鎖和同步器的抽象框架，其設計包含三大核心組件：

1.1.1 三大核心組件詳解

組件名稱	技術實現	核心作用
狀態變量state	volatile int，通過CAS操作更新	存儲同步狀態，不同場景含義不同（如鎖重入次數、信號量許可數等）
CLH等待隊列	雙向鏈表，由Node節點組成	管理等待線程的FIFO順序，實現線程阻塞與喚醒機制
模板方法	抽象方法需子類實現	定義同步邏輯接口（如tryAcquire、tryRelease等），實現模板方法模式

1.1.2 Node節點核心字段解析

static final class Node {// 節點狀態：CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)、PROPAGATE(-3)volatile int waitStatus;// 前驅節點引用volatile Node prev;// 后繼節點引用volatile Node next;// 關聯的線程volatile Thread thread;// 條件隊列中的后繼節點Node nextWaiter;
}

1.1.3 CLH隊列結構示意圖

CLH隊列關鍵特性說明

1. 雙向鏈表結構：
   • 每個節點包含 prev 和 next 指針
   • 頭節點(Head)的prev為null
   • 尾節點(Tail)的next為null
2. 節點內部結構：

   static final class Node {volatile int waitStatus;  // 等待狀態volatile Node prev;       // 前驅節點volatile Node next;       // 后繼節點volatile Thread thread;   // 關聯線程Node nextWaiter;          // 條件隊列鏈接
   }
   

3. 等待狀態(waitStatus)：
   • SIGNAL(-1)：后繼節點需要喚醒
   • CANCELLED(1)：線程已取消
   • CONDITION(-2)：在條件隊列中
   • 0：初始狀態
4. 隊列操作：
   • 入隊：尾插法（CAS更新Tail）

     // AQS中的入隊代碼
     private Node addWaiter(Node mode) {Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);Node pred = tail;if (pred != null) {node.prev = pred;if (compareAndSetTail(pred, node)) {pred.next = node;return node;}}enq(node); // CAS失敗時自旋入隊return node;
     }
     

   • 出隊：頭節點釋放后喚醒后繼

     // 喚醒后繼節點
     private void unparkSuccessor(Node node) {int ws = node.waitStatus;if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);Node s = node.next;if (s == null || s.waitStatus > 0) {s = null;// 從尾向前查找有效節點for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)if (t.waitStatus <= 0) s = t;}if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread);
     }
     

1.2 AQS工作流程詳解（獨占模式）

1.2.1 核心執行流程

1.2.2 關鍵機制解析

1. CAS無鎖操作：

   // AQS更新state的核心方法
   protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
   }
   

   • 通過Unsafe類直接操作內存，確保原子性
   • stateOffset通過objectFieldOffset獲取字段偏移量
2. 線程阻塞與喚醒：
   • 阻塞：LockSupport.park(this)
   • 喚醒：LockSupport.unpark(thread)
   • 基于Unsafe的park/unpark，比Object.wait/notify更高效
3. 隊列管理：
   • 入隊：CAS尾插法，保證線程安全
   • 出隊：頭節點釋放后，將后繼節點設為新頭節點

二、AQS的同步模式與核心方法

2.1 獨占模式（Exclusive Mode）

2.1.1 核心特性

• 同一時刻僅允許一個線程獲取資源
• 典型實現：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock
• 關鍵方法：
  • acquire(int arg)：獲取資源，失敗則入隊等待
  • release(int arg)：釋放資源，喚醒后繼節點

2.1.2 狀態流轉圖

2.2 共享模式（Shared Mode）

2.2.1 核心特性

• 允許多個線程同時獲取資源
• 典型實現：Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock.ReadLock
• 關鍵方法：
  • acquireShared(int arg)：獲取共享資源，失敗入隊
  • releaseShared(int arg)：釋放共享資源，可能喚醒后繼

2.2.2 狀態流轉圖