并发包中的AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发编程的核心基础框架，它提供了一套通用的同步器实现模板，简化了锁和其他同步工具的开发。理解AQS是掌握Java并发包（java.util.concurrent，简称JUC）的关键。

理解AQS的设计（状态、队列、模板方法）是掌握Java高并发编程的核心，几乎所有JUC工具都基于它构建，开发者也可通过AQS快速实现自定义锁。

AQS是什么？

定义：AQS是一个抽象类，通过维护一个共享资源状态（volatile int state）和一个FIFO双向队列（CLH队列），实现了线程的排队、阻塞、唤醒机制。开发者只需通过重写AQS的模板方法（如tryAcquire/tryRelease），即可快速构建自定义锁或同步工具。

核心思想：

“资源状态 + 队列管理”。如果线程请求资源失败（如锁已被占用），AQS会自动将该线程封装为队列节点（Node），加入等待队列，并通过自旋或阻塞（LockSupport.park()）等待唤醒。

AQS为并发编程解决了什么问题？

• 统一管理线程排队与唤醒： 开发者无需手动处理复杂的线程阻塞、唤醒和队列调度逻辑，只需关注资源状态的获取与释放规则。
• 支持多种同步模式： AQS提供独占模式（如ReentrantLock）**和**共享模式（如Semaphore），并可混合使用（如ReadWriteLock）。
• 高性能与可扩展性： 通过CAS操作（Compare-And-Swap）实现无锁化状态更新，减少线程上下文切换开销。例如，state的修改通过Unsafe类直接操作内存，保证原子性。

它为什么能做到这些呢？一定是它具有某些独特的结构，接下来一起看看，它的内部实现（待补充）

AQS的核心机制

(1) 资源状态（state）

• 作用：表示同步资源是否可用（如锁是否被持有、信号量的剩余许可数）。
• 操作：通过getState()、setState()、compareAndSetState()方法修改状态，底层依赖CAS保证线程安全。

(2) CLH队列（等待队列）

• 结构：双向链表，每个节点（Node）封装一个等待线程。
• 行为：
  • 线程获取资源失败时，被包装为节点加入队列尾部。
  • 资源释放时，AQS按FIFO规则唤醒队列中的下一个线程（公平锁）或直接竞争（非公平锁）。

(3) 模板方法模式

开发者需重写以下方法定义资源获取/释放的规则：

• 独占模式： tryAcquire(int arg)、tryRelease(int arg)
• 共享模式： tryAcquireShared(int arg)、tryReleaseShared(int arg)

基于AQS的工具们

几乎所有JUC中的锁和同步工具都直接或间接依赖AQS：

(1) ReentrantLock（独占锁）

• 实现：基于AQS的独占模式，state表示锁的重入次数（0=未锁定，≥1=被持有）。
• 公平性： 通过构造函数选择公平锁（按队列顺序获取）或非公平锁（允许插队）。

(2) Semaphore（信号量）

• 实现： 基于AQS的共享模式，state表示可用许可证数量。 acquire()/release()对应许可证的获取和释放。

(3) CountDownLatch（倒计时闩）

• 实现：state初始化后表示需要等待的计数。调用countDown()减少计数，await()阻塞直到state=0。

(4) CyclicBarrier（循环栅栏）

• 间接依赖： 通过ReentrantLock和Condition（AQS的条件变量ConditionObject）实现线程的等待与唤醒。

(5) ReentrantReadWriteLock（读写锁）

• 实现：将AQS的state拆分为高16位（读锁计数）和低16位（写锁计数），通过两个内部类（读锁共享、写锁独占）实现读写分离。

(6) FutureTask（异步任务）

• 实现：通过AQS的state表示任务状态（未启动、已完成、已取消），控制get()方法的阻塞行为。

AQS的优势

代码复用：

JUC中的同步工具只需实现资源状态逻辑，无需重复编写队列管理代码。

复杂性封装：

AQS处理了线程阻塞、唤醒、超时、中断等底层细节，开发者聚焦业务逻辑。

高性能：

通过CLH队列和CAS减少竞争，避免不必要的线程切换。

灵活性：

支持公平/非公平、独占/共享、可重入等特性，覆盖绝大多数并发场景。

一个例子

• ReentrantLock如何基于AQS工作

// ReentrantLock的Sync内部类继承AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    // 尝试获取锁（非公平）
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) { // CAS抢锁
                setExclusiveOwnerThread(current);  // 设置持有线程
                return true;
            }
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 重入
            setState(c + acquires);
            return true;
        }
        return false; // 获取失败，进入队列等待
    }
}