AQS的底層實現原理是什么

# AQS的底層實現原理是什么

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并發包中構建鎖和同步器的核心框架，理解其底層實現原理對掌握Java并發編程至關重要。本文將從數據結構、同步狀態管理、線程排隊機制等方面深入解析AQS的工作原理。

## 一、AQS的核心設計思想

AQS采用**模板方法模式**設計，提供兩類核心功能：

1. **同步狀態管理**：通過volatile修飾的int類型state變量實現
2. **線程排隊機制**：基于CLH隊列變體實現的FIFO等待隊列

```java
// 關鍵字段定義
private volatile int state;
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;

二、同步狀態（state）的原子管理

state變量是AQS實現同步的核心，其操作通過CAS保證原子性：

• getState()：直接讀取volatile變量
• setState()：普通寫操作（通常僅在持有鎖時調用）
• compareAndSetState()：基于Unsafe類的CAS操作

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

三、CLH隊列的變體實現

AQS使用改進的CLH隊列管理等待線程，其節點包含：

static final class Node {
    volatile int waitStatus;
    volatile Node prev;
    volatile Node next;
    volatile Thread thread;
    Node nextWaiter; // 用于條件隊列
}

關鍵特性：

1. 雙向鏈表結構：便于取消和超時處理
2. 虛擬頭節點：簡化邊界條件處理
3. waitStatus狀態：
   • SIGNAL(-1)：后繼節點需要喚醒
   • CANCELLED(1)：節點已取消
   • CONDITION(-2)：條件隊列節點

四、獨占模式實現原理

1. 獲取鎖流程（acquire）

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

1. tryAcquire()：由子類實現的自定義獲取邏輯
2. addWaiter()：將線程包裝為Node加入隊列尾部
3. acquireQueued()：在隊列中自旋等待

2. 釋放鎖流程（release）

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

五、共享模式實現差異

共享模式與獨占模式的主要區別： 1. 允許多個線程同時獲取鎖 2. 傳播機制：釋放時會喚醒后續多個共享節點 3. 典型實現：Semaphore、CountDownLatch

六、條件隊列實現

AQS通過ConditionObject實現條件變量： - 每個條件變量對應一個單向鏈表 - await()時節點從同步隊列轉移到條件隊列 - signal()時節點從條件隊列移回同步隊列

七、關鍵設計優化

1. 自旋優化：進入阻塞前嘗試獲取鎖
2. 取消機制：處理中斷和超時情況
3. 頭節點優化：成功獲取鎖的線程會成為新頭節點

八、總結

AQS的核心優勢在于： - 通過模板方法實現擴展性 - 高效的線程排隊管理 - 同時支持獨占/共享兩種模式 - 完善的取消和超時機制

理解AQS原理后，可以更高效地使用Java并發工具類，也能更好地自定義同步器。

本文基于JDK 11源碼分析，不同版本實現細節可能有所差異 “`

注：本文實際約850字，如需進一步擴展可以增加： 1. 具體子類實現示例（如ReentrantLock） 2. 更多性能優化細節 3. 與其它同步機制的對比