在Java并發編程中，同步器（Synchronizer）是一個非常重要的概念。Java提供了多種同步工具，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等，這些工具的背后都依賴于一個共同的框架——AbstractQueuedSynchronizer（簡稱AQS）。AQS是Java并發包中的核心組件，它提供了一種通用的機制來實現同步器。本文將深入探討AQS的實現原理，幫助讀者更好地理解Java并發編程中的同步機制。
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并發包中的一個抽象類，它為實現依賴于先進先出（FIFO）等待隊列的同步器提供了一個框架。AQS的核心思想是通過一個int類型的同步狀態（state）來表示資源的可用性，并通過一個雙向鏈表（CLH隊列）來管理等待獲取資源的線程。
AQS提供了兩種同步模式：獨占模式（Exclusive Mode）和共享模式（Shared Mode）。獨占模式是指同一時刻只有一個線程可以獲取資源，而共享模式則允許多個線程同時獲取資源。
AQS的核心數據結構包括以下幾個部分：
同步狀態（state）：一個int類型的變量，用于表示資源的可用性。AQS通過getState()、setState(int)和compareAndSetState(int, int)等方法來操作同步狀態。
同步隊列（CLH隊列）：一個雙向鏈表，用于管理等待獲取資源的線程。AQS通過Node類來表示隊列中的節點，每個節點包含一個線程引用、等待狀態（waitStatus）以及前驅和后繼節點的引用。
條件隊列：AQS還支持條件變量（Condition），條件隊列用于管理等待特定條件的線程。條件隊列也是一個雙向鏈表，但與同步隊列不同的是，條件隊列中的節點在條件滿足時會被轉移到同步隊列中。
AQS的同步狀態是一個int類型的變量，用于表示資源的可用性。同步狀態的具體含義由子類定義，AQS本身并不關心狀態的具體含義，只提供了一些基本操作來管理狀態。
AQS提供了以下方法來操作同步狀態：
getState()：獲取當前的同步狀態。setState(int newState)：設置同步狀態為指定的值。compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS操作來原子地更新同步狀態。通過這些方法，子類可以實現自定義的同步邏輯。例如，ReentrantLock使用同步狀態來表示鎖的持有次數，Semaphore使用同步狀態來表示可用的許可數。
AQS的同步隊列是一個基于CLH鎖的變種，它是一個雙向鏈表，用于管理等待獲取資源的線程。同步隊列中的每個節點都是一個Node對象，Node類的主要字段包括：
thread：等待獲取資源的線程。waitStatus：節點的等待狀態，可能的取值包括CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE等。prev：前驅節點的引用。next：后繼節點的引用。AQS通過enq(Node)方法將節點插入到同步隊列的尾部，并通過acquireQueued(Node, int)方法讓線程在隊列中等待獲取資源。
AQS的獨占模式是指同一時刻只有一個線程可以獲取資源。獨占模式的典型應用是ReentrantLock。在獨占模式下，AQS提供了以下方法來管理資源的獲取和釋放：
tryAcquire(int)：嘗試獲取資源，成功返回true，失敗返回false。子類需要實現該方法。acquire(int)：獲取資源，如果資源不可用，則當前線程進入等待狀態，直到資源可用。tryRelease(int)：嘗試釋放資源，成功返回true，失敗返回false。子類需要實現該方法。release(int)：釋放資源，并喚醒等待隊列中的下一個線程。在獨占模式下，AQS通過acquire(int)方法來實現資源的獲取。acquire(int)方法首先調用tryAcquire(int)嘗試獲取資源，如果失敗，則將當前線程包裝成Node節點并插入到同步隊列中，然后通過acquireQueued(Node, int)方法讓線程在隊列中等待。
AQS的共享模式是指同一時刻允許多個線程同時獲取資源。共享模式的典型應用是Semaphore和CountDownLatch。在共享模式下，AQS提供了以下方法來管理資源的獲取和釋放：
tryAcquireShared(int)：嘗試獲取資源，返回剩余的資源數。子類需要實現該方法。acquireShared(int)：獲取資源，如果資源不可用，則當前線程進入等待狀態，直到資源可用。tryReleaseShared(int)：嘗試釋放資源，成功返回true，失敗返回false。子類需要實現該方法。releaseShared(int)：釋放資源，并喚醒等待隊列中的線程。在共享模式下，AQS通過acquireShared(int)方法來實現資源的獲取。acquireShared(int)方法首先調用tryAcquireShared(int)嘗試獲取資源，如果失敗，則將當前線程包裝成Node節點并插入到同步隊列中，然后通過doAcquireShared(int)方法讓線程在隊列中等待。
AQS還支持條件變量（Condition），條件隊列用于管理等待特定條件的線程。條件隊列也是一個雙向鏈表，但與同步隊列不同的是，條件隊列中的節點在條件滿足時會被轉移到同步隊列中。
AQS提供了以下方法來管理條件隊列：
await()：當前線程進入等待狀態，直到被喚醒或中斷。signal()：喚醒條件隊列中的一個線程。signalAll()：喚醒條件隊列中的所有線程。在條件隊列中，AQS通過addConditionWaiter()方法將當前線程包裝成Node節點并插入到條件隊列中，然后通過fullyRelease(Node)方法釋放當前線程持有的資源，并讓線程進入等待狀態。
AQS的實現細節非常復雜，涉及到大量的CAS操作和線程狀態的切換。以下是AQS的一些關鍵實現細節：
CAS操作：AQS大量使用了CAS（Compare-And-Swap）操作來保證線程安全。例如，compareAndSetState(int, int)方法使用CAS操作來原子地更新同步狀態。
自旋與阻塞：AQS在實現線程等待時，采用了自旋與阻塞相結合的策略。線程在進入等待狀態之前會先進行一定次數的自旋，以減少上下文切換的開銷。
中斷處理：AQS在處理線程中斷時，會根據中斷狀態來決定是否喚醒線程。如果線程在等待過程中被中斷，AQS會將其從等待隊列中移除，并拋出InterruptedException。
公平性與非公平性：AQS支持公平性和非公平性兩種模式。在公平模式下，線程按照FIFO的順序獲取資源；在非公平模式下，線程可以插隊獲取資源。
AQS在Java并發包中有廣泛的應用，以下是一些典型的應用場景：
ReentrantLock：ReentrantLock是基于AQS實現的獨占鎖，支持重入和公平性選擇。
Semaphore：Semaphore是基于AQS實現的信號量，用于控制同時訪問資源的線程數。
CountDownLatch：CountDownLatch是基于AQS實現的倒計時門閂，用于等待一組線程完成任務。
CyclicBarrier：CyclicBarrier是基于AQS實現的循環屏障，用于讓一組線程相互等待，直到所有線程都到達某個屏障點。
ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock是基于AQS實現的讀寫鎖，支持讀鎖和寫鎖的分離。
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并發包中的核心組件，它為實現依賴于先進先出（FIFO）等待隊列的同步器提供了一個通用的框架。AQS通過同步狀態、同步隊列和條件隊列等核心數據結構，支持獨占模式和共享模式兩種同步方式。AQS在Java并發包中有廣泛的應用，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。雖然AQS的實現非常復雜，但它提供了高效、靈活和可擴展的同步機制，是Java并發編程中不可或缺的工具。
通過本文的深入探討，相信讀者對AQS的實現原理有了更深入的理解。在實際開發中，合理使用AQS可以幫助我們構建高效、可靠的并發程序。
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