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面試官：詳細說說AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并發包（java.util.concurrent.locks）的核心基礎框架，用于構建鎖和其他同步器（如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等）。它通過模板方法模式定義了一套多線程訪問共享資源的同步機制，開發者只需繼承 AQS 并實現特定方法，即可自定義同步器。

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AQS 的核心設計思想

AQS 的核心是 “同步狀態管理” + “線程排隊機制”：

1. 同步狀態（state字段）：
   通過一個 volatile int state 字段表示共享資源的狀態（如鎖是否被占用、信號量剩余許可數等）。

   • 開發者需根據同步器的語義定義 state 的用途（例如：ReentrantLock 用 state 表示重入次數）。

2. CLH 隊列（線程等待隊列）：
   采用 CLH 變體的雙向鏈表隊列，將未獲取到資源的線程封裝為 Node 節點并排隊等待。

   • CLH 隊列的每個節點保存了前驅和后繼節點的引用，以及線程的狀態（如是否被取消）。

3. 模板方法模式：
   AQS 提供通用的排隊和阻塞機制，開發者只需實現以下關鍵方法（需保證線程安全）：

   • tryAcquire(int arg)：嘗試以獨占模式獲取資源。
   • tryRelease(int arg)：嘗試釋放獨占模式的資源。
   • tryAcquireShared(int arg)：嘗試以共享模式獲取資源。
   • tryReleaseShared(int arg)：嘗試釋放共享模式的資源。
   • isHeldExclusively()：判斷當前線程是否獨占資源。

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AQS 的內部結構

1. state 字段

   private volatile int state; // 核心狀態變量
   

   • 通過 getState(), setState(), compareAndSetState() 方法原子操作狀態。

2. CLH 隊列

   // 隊列頭尾指針
   private transient volatile Node head;
   private transient volatile Node tail;// Node 節點結構（每個等待線程封裝為一個 Node）
   static final class Node {volatile int waitStatus;     // 等待狀態（如 CANCELLED、SIGNAL）volatile Node prev;         // 前驅節點volatile Node next;         // 后繼節點volatile Thread thread;     // 關聯的線程Node nextWaiter;            // 條件隊列的下一節點（用于 Condition）
   }
   

3. 兩種模式

   • 獨占模式（Exclusive）：資源一次只能被一個線程占用（如 ReentrantLock）。
   • 共享模式（Shared）：資源可被多個線程共享（如 Semaphore、CountDownLatch）。

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AQS 的工作流程

1. 獲取資源（以獨占模式為例）

• 步驟：

  1. 調用 acquire(int arg) 方法。
  2. 先嘗試 tryAcquire(arg)（需開發者實現），若成功則直接返回。
  3. 若失敗，將線程封裝為 Node 加入 CLH 隊列尾部，并通過 acquireQueued() 自旋或阻塞等待。
  4. 在隊列中等待的線程會不斷檢查前驅節點是否為頭節點，若是則再次嘗試獲取資源。

• 關鍵代碼邏輯：

  public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt(); // 恢復中斷狀態
  }
  

2. 釋放資源

• 步驟：

  1. 調用 release(int arg) 方法。
  2. 先嘗試 tryRelease(arg)（需開發者實現），若成功則喚醒隊列中的后繼節點。

• 關鍵代碼邏輯：

  public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h); // 喚醒后繼節點的線程return true;}return false;
  }
  

3. 中斷與超時

• AQS 支持可中斷的獲取資源（acquireInterruptibly()）和超時獲取（tryAcquireNanos()）。
• 若線程在等待中被中斷或超時，會移除對應的節點并拋出 InterruptedException。

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AQS 的應用場景

1. ReentrantLock

   • 通過實現 tryAcquire 和 tryRelease 方法，管理鎖的重入計數（state 字段記錄持有鎖的線程和重入次數）。

2. Semaphore

   • 使用 state 表示剩余許可數，tryAcquireShared 嘗試獲取許可，tryReleaseShared 釋放許可。

3. CountDownLatch

   • state 初始化為計數器值，await() 調用 acquireShared，countDown() 調用 releaseShared。

4. ReentrantReadWriteLock

   • 將 state 的高 16 位用于讀鎖（共享模式），低 16 位用于寫鎖（獨占模式）。

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AQS 的設計優勢

1. 靈活性
   開發者只需關注資源狀態的管理（state 操作），無需處理線程排隊、阻塞與喚醒等底層邏輯。

2. 高效性

   • CLH 隊列的變體設計減少了鎖競爭，通過自旋和 CAS 操作提升性能。
   • 雙向鏈表便于處理取消和超時的節點。

3. 可擴展性
   支持獨占和共享模式，且可通過 Condition 實現更復雜的線程通信（如生產者-消費者模型）。

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AQS 的關鍵源碼技巧

1. 自旋 + CAS
   AQS 大量使用 CAS（Unsafe 類）和自旋操作，例如入隊時通過 CAS 保證線程安全：

   private Node enq(final Node node) {for (;;) { // 自旋直到成功Node t = tail;if (t == null) { // 隊列為空，初始化頭節點if (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}
   }
   

2. 線程阻塞與喚醒
   使用 LockSupport.park() 和 LockSupport.unpark(thread) 控制線程的阻塞與喚醒，避免優先級反轉問題。

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技術資料大全：https://pan.q刪掉漢子uark.cn/s/aa7f2473c65b

總結

AQS 是 Java 并發包的基石，通過統一的框架解決了同步器的核心問題：

• 狀態管理：通過 state 字段靈活表示資源狀態。
• 線程排隊：CLH 隊列高效管理等待線程。
• 模板方法：分離通用邏輯與具體實現，降低開發復雜度。

理解 AQS 是掌握 Java 并發編程的關鍵，但實際開發中建議優先使用 Java 內置的同步器（如 ReentrantLock），而非直接繼承 AQS。