深入剖析AQS：Java并发编程的核心基石与底层实现原理

海南java第二人2025-12-27 9:22

文章目录

  • 一、AQS：何为抽象队列式同步器？
    • [1.1 核心定义与定位](#1.1 核心定义与定位)
    • [1.2 设计哲学与四大原则](#1.2 设计哲学与四大原则)
  • 二、AQS的核心架构：三大支柱系统
    • [2.1 状态管理系统（State Management）](#2.1 状态管理系统（State Management）)
      • [2.1.1 状态的原子性操作](#2.1.1 状态的原子性操作)
      • [2.1.2 状态的多义性解释](#2.1.2 状态的多义性解释)
    • [2.2 CLH队列系统（线程排队机制）](#2.2 CLH队列系统（线程排队机制）)
      • [2.2.1 队列节点设计](#2.2.1 队列节点设计)
      • [2.2.2 队列操作流程](#2.2.2 队列操作流程)
      • [2.2.3 入队操作源码解析](#2.2.3 入队操作源码解析)
    • [2.3 模板方法系统（扩展机制）](#2.3 模板方法系统（扩展机制）)
      • [2.3.1 模板方法设计模式](#2.3.1 模板方法设计模式)
      • [2.3.2 独占模式完整流程](#2.3.2 独占模式完整流程)
  • 三、AQS在JUC中的核心地位
    • [3.1 架构层次关系图](#3.1 架构层次关系图)
    • [3.2 基于AQS的主要实现类](#3.2 基于AQS的主要实现类)
      • [3.2.1 独占锁实现类](#3.2.1 独占锁实现类)
      • [3.2.2 共享锁实现类](#3.2.2 共享锁实现类)
  • 四、AQS的两种锁模式深度解析
    • [4.1 独占模式（Exclusive Mode）](#4.1 独占模式（Exclusive Mode）)
      • [4.1.1 核心特点](#4.1.1 核心特点)
      • [4.1.2 状态流转图](#4.1.2 状态流转图)
    • [4.2 共享模式（Shared Mode）](#4.2 共享模式（Shared Mode）)
      • [4.2.1 核心特点](#4.2.1 核心特点)
      • [4.2.2 共享模式获取流程](#4.2.2 共享模式获取流程)
  • 五、AQS的条件队列（ConditionObject）
    • [5.1 条件队列与同步队列的关系](#5.1 条件队列与同步队列的关系)
    • [5.2 条件队列工作原理](#5.2 条件队列工作原理)
  • 六、AQS性能优化与最佳实践
    • [6.1 公平锁 vs 非公平锁性能对比](#6.1 公平锁 vs 非公平锁性能对比)
    • [6.2 AQS的优化技巧](#6.2 AQS的优化技巧)
    • [6.3 实战示例：自定义同步器](#6.3 实战示例：自定义同步器)
  • 七、AQS在分布式环境中的启示
  • 总结

在Java并发编程的世界里，有一个神秘而强大的框架默默支撑着众多并发工具的高效运行------它就是AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。理解AQS，就等于掌握了Java并发编程的灵魂钥匙。本文将带你从设计哲学、核心原理到实战应用，全方位解析这个并发框架的奥秘。

一、AQS：何为抽象队列式同步器？

1.1 核心定义与定位

AbstractQueuedSynchronizer（AQS），即抽象的队列式同步器，是Java并发包（java.util.concurrent.locks）的核心基础框架。自JDK 1.5引入JUC包以来，AQS一直是Java并发编程体系的基石，其设计思想深刻影响了后续多版本JDK的并发实现。

AQS采用模板方法设计模式，提供了一套完整的多线程访问共享资源的同步器实现方案。开发者可以基于此框架快速构建各种类型的同步器，而无需从头实现复杂的线程排队、唤醒机制。

1.2 设计哲学与四大原则

AQS的成功源于其精妙的设计哲学，主要体现在以下四个核心原则：

  • 分离关注点原则：将同步状态管理与线程排队机制分离，使得两者可以独立优化
  • 模板方法模式：定义算法骨架，子类只需实现关键步骤的逻辑
  • 性能优先原则：通过CAS操作和无锁设计最小化同步开销，最大化系统吞吐量
  • 可扩展性原则：支持多种同步策略（独占/共享、公平/非公平、可重入/不可重入）
java 复制代码 
// AQS在Java并发体系中的位置
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
    
    // 核心状态字段
    private volatile int state;
    
    // CLH队列头部（延迟初始化）
    private transient volatile Node head;
    
    // CLH队列尾部（延迟初始化）
    private transient volatile Node tail;
    
    // 核心模板方法
    public final void acquire(int arg) { ... }
    public final boolean release(int arg) { ... }
    public final void acquireShared(int arg) { ... }
    public final boolean releaseShared(int arg) { ... }
}

二、AQS的核心架构：三大支柱系统

2.1 状态管理系统（State Management）

2.1.1 状态的原子性操作

AQS通过一个volatile int state字段表示同步状态，所有状态变更都通过CAS（Compare-And-Swap）操作保证原子性：

java 复制代码 
// 状态操作方法（基于Unsafe类实现CAS）
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long stateOffset;

static {
    try {
        // 获取state字段的内存偏移量
        stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(
            AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

// CAS更新状态（核心中的核心）
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

// 获取和设置状态
protected final int getState() { return state; }
protected final void setState(int newState) { state = newState; }

2.1.2 状态的多义性解释

不同的同步器对state有不同的解释，这种设计的灵活性是AQS强大的关键：

同步器 state含义 二进制表示示例
ReentrantLock 0=锁空闲，>0=重入次数 0000 0000 0000 0011 (重入3次)
Semaphore 可用许可证数量 0000 0000 0000 0101 (5个许可)
CountDownLatch 剩余倒数计数 0000 0000 0000 0010 (还需倒数2次)
ReentrantReadWriteLock 高16位=读锁数，低16位=写锁重入 0000 0001 0000 0001 (1读锁，1写锁重入)

2.2 CLH队列系统（线程排队机制）

2.2.1 队列节点设计

AQS使用一个变种的CLH（Craig, Landin, and Hagersten）队列作为等待队列，这是一个FIFO双向队列：

java 复制代码 
// 队列节点定义（静态内部类）
static final class Node {
    // 节点模式
    static final Node SHARED = new Node();  // 共享模式标记
    static final Node EXCLUSIVE = null;     // 独占模式标记
    
    // 等待状态（waitStatus）
    static final int CANCELLED =  1;  // 线程已取消
    static final int SIGNAL    = -1;  // 需要唤醒后继节点
    static final int CONDITION = -2;  // 在条件队列中等待
    static final int PROPAGATE = -3;  // 共享模式下需要向后传播
    
    volatile int waitStatus;    // 当前节点的等待状态
    volatile Node prev;         // 前驱节点
    volatile Node next;         // 后继节点
    volatile Thread thread;     // 等待的线程
    Node nextWaiter;            // 指向下一个等待条件的节点或SHARED标记
    
    // 判断是否为共享模式
    final boolean isShared() {
        return nextWaiter == SHARED;
    }
    
    // 获取前驱节点（空值安全）
    final Node predecessor() throws NullPointerException {
        Node p = prev;
        if (p == null)
            throw new NullPointerException();
        else
            return p;
    }
}

2.2.2 队列操作流程

复制代码 
线程获取锁失败
    ↓
创建Node节点（包含当前线程）
    ↓
通过CAS操作将节点加入队列尾部
    ↓
进入自旋检查循环
    ↓
前驱节点是头节点？ → 是 → 再次尝试获取锁
    ↓ 否
检查前驱节点状态
    ↓
前驱节点状态为SIGNAL？ → 是 → 调用LockSupport.park()挂起
    ↓ 否
清理CANCELLED状态的节点
    ↓
继续自旋检查

2.2.3 入队操作源码解析

java 复制代码 
private Node addWaiter(Node mode) {
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    // 快速尝试直接添加到队尾
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    // 快速尝试失败，使用完整的入队方法
    enq(node);
    return node;
}

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {  // 自旋直到成功
        Node t = tail;
        if (t == null) {  // 队列为空，需要初始化
            if (compareAndSetHead(new Node()))  // 设置哨兵节点
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

2.3 模板方法系统（扩展机制）

2.3.1 模板方法设计模式

AQS采用模板方法设计模式，定义了一套完整的同步算法骨架，具体实现细节留给子类：

java 复制代码 
// 模板方法（public final，子类不能覆盖）
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&            // 1. 尝试获取（子类实现）
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))  // 2. 加入队列等待
        selfInterrupt();                // 3. 恢复中断状态
}

// 需要子类实现的钩子方法（protected）
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();  // 默认抛异常
}

protected boolean tryRelease(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

protected int tryAcquireShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

protected boolean isHeldExclusively() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

2.3.2 独占模式完整流程

java 复制代码 
// 独占模式获取锁的完整流程
public final void acquire(int arg) {
    // 第一步：尝试快速获取（子类实现）
    if (!tryAcquire(arg)) {
        // 第二步：获取失败，创建节点加入等待队列
        Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        
        // 第三步：在队列中自旋等待
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();  // 获取前驱节点
            if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱是头节点且获取成功
                setHead(node);                  // 设置自己为头节点
                p.next = null;                  // 帮助GC
                if (interrupted)
                    selfInterrupt();
                return;
            }
            
            // 第四步：检查是否需要挂起
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    }
}

// 检查并挂起线程
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)  // 前驱节点会通知我
        return true;
    if (ws > 0) {  // 前驱节点已取消，跳过
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        // 设置前驱节点状态为SIGNAL
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

// 挂起线程并检查中断
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);  // 挂起当前线程
    return Thread.interrupted();  // 返回中断状态并清除中断标记
}

三、AQS在JUC中的核心地位

3.1 架构层次关系图

复制代码 
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                 JUC并发工具层 (应用层)                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                         │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌─────────┐ │
│  │ Reentrant │  │ Semaphore │  │CountDown │  │Reentrant│ │
│  │   Lock    │  │           │  │  Latch   │  │ReadWrite│ │
│  │           │  │           │  │          │  │  Lock   │ │
│  └─────┬────┘  └─────┬─────┘  └────┬─────┘  └────┬────┘ │
│        │              │             │             │      │
│        │ 独占模式      │ 共享模式     │ 共享模式     │ 读共享  │
│        │              │             │             │ 写独占  │
├────────┼──────────────┼─────────────┼─────────────┼──────┤
│                  AQS核心框架层 (抽象层)                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                         │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │      状态管理 + CLH队列 + 模板方法 = AQS          │  │
│  │  • volatile int state (同步状态)                 │  │
│  │  • CLH队列 (线程排队)                            │  │
│  │  • 模板方法 (acquire/release)                    │  │
│  └──────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                         │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                 操作系统原语层 (底层)                    │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  ┌────────────┐  ┌────────────┐  ┌────────────┐       │
│  │  LockSupport │  │   Unsafe   │  │   CAS指令   │       │
│  │   (park/    │  │ (内存操作)  │  │ (CPU原子操作)│       │
│  │    unpark)  │  │            │  │            │       │
│  └────────────┘  └────────────┘  └────────────┘       │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

3.2 基于AQS的主要实现类

3.2.1 独占锁实现类

ReentrantLock（可重入锁）

  • 公平锁：new ReentrantLock(true) - 严格按照FIFO顺序获取锁
  • 非公平锁：new ReentrantLock(false) - 允许插队，吞吐量更高
java 复制代码 
// ReentrantLock中的Sync内部类继承AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 尝试获取锁的实现
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {  // 锁空闲
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {  // 重入
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // 溢出检查
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    // 公平锁实现
    static final class FairSync extends Sync {
        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                // 公平锁核心：检查是否有前驱节点在等待
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }
}

3.2.2 共享锁实现类

Semaphore（信号量）

java 复制代码 
public class Semaphore {
    private final Sync sync;
    
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        Sync(int permits) { setState(permits); }
        
        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;  // 返回剩余许可数
            }
        }
    }
}

CountDownLatch（倒计时门闩）

java 复制代码 
public class CountDownLatch {
    private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        Sync(int count) { setState(count); }
        
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;  // 0表示门闩已打开
        }
        
        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (c == 0) return false;
                int nextc = c - 1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;  // 返回true表示门闩已打开
            }
        }
    }
}

四、AQS的两种锁模式深度解析

4.1 独占模式（Exclusive Mode）

4.1.1 核心特点

  • 同一时刻只允许一个线程持有锁
  • 适用于互斥访问场景
  • 典型实现：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock

4.1.2 状态流转图

复制代码 
     初始状态 (state=0)
         │
         ▼
┌─────────────────┐
│  线程A获取锁     │◄─── tryAcquire(1)
│  (state=1)      │
└────────┬────────┘
         │
         ▼
┌─────────────────┐
│  线程A重入       │◄─── tryAcquire(1)
│  (state=2)      │
└────────┬────────┘
         │ 释放1次 tryRelease(1)
         ▼
┌─────────────────┐
│  线程A持有       │ (state=1)
└────────┬────────┘
         │ 再次释放 tryRelease(1)
         ▼
┌─────────────────┐
│  锁空闲          │ (state=0)
└─────────────────┘

4.2 共享模式（Shared Mode）

4.2.1 核心特点

  • 同一时刻允许多个线程同时持有锁
  • 适用于资源池、限流等场景
  • 典型实现：Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock.ReadLock

4.2.2 共享模式获取流程

java 复制代码 
public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)  // 尝试获取
        doAcquireShared(arg);       // 加入队列等待
}

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {  // 获取成功
                    setHeadAndPropagate(node, r);  // 设置头节点并传播
                    p.next = null;
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

// 设置头节点并向后传播唤醒
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head;
    setHead(node);
    
    // 传播条件：propagate > 0 或 旧头节点为null或SIGNAL状态
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();  // 唤醒后继共享节点
    }
}

五、AQS的条件队列（ConditionObject）

5.1 条件队列与同步队列的关系

AQS除了同步队列外，还支持条件队列（ConditionObject），用于实现等待/通知机制：

java 复制代码 
public class ConditionObject implements Condition {
    private transient Node firstWaiter;   // 条件队列头
    private transient Node lastWaiter;    // 条件队列尾
    
    // await()方法：将线程从同步队列移到条件队列
    public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter();  // 添加到条件队列
        int savedState = fullyRelease(node);  // 完全释放锁
        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {  // 不在同步队列中
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        // 被唤醒后重新竞争锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    
    // signal()方法：将节点从条件队列移到同步队列
    public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }
}

5.2 条件队列工作原理

复制代码 
同步队列 (等待锁)       条件队列 (等待条件)
┌─────────┐            ┌─────────┐
│  头节点  │            │ first   │
│         │            │ waiter  │
├─────────┤            ├─────────┤
│  节点A   │◄──────────►│  节点A   │
├─────────┤   await()  ├─────────┤
│  节点B   │            │  节点B   │
├─────────┤   signal() ├─────────┤
│  节点C   │───────────►│  节点C   │
└─────────┘            └─────────┘

六、AQS性能优化与最佳实践

6.1 公平锁 vs 非公平锁性能对比

特性 公平锁 非公平锁
获取顺序 严格FIFO 允许插队
上下文切换 较多 较少
吞吐量 较低 较高（约10-100倍）
饥饿问题 无 可能
适用场景 对响应时间敏感 高并发、高吞吐

6.2 AQS的优化技巧

  1. 减少CAS竞争：通过本地变量缓存状态减少volatile读取
  2. 延迟初始化：队列头尾节点延迟创建
  3. 自旋优化：在挂起前短暂自旋减少上下文切换
  4. 状态压缩：使用位运算在单个int中存储多个状态

6.3 实战示例：自定义同步器

java 复制代码 
// 实现一个简单的二进制锁（不可重入）
public class BinaryLock {
    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        protected boolean tryAcquire(int acquires) {
            assert acquires == 1;
            return compareAndSetState(0, 1);
        }
        
        protected boolean tryRelease(int releases) {
            assert releases == 1;
            if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException();
            setState(0);
            return true;
        }
        
        protected boolean isHeldExclusively() {
            return getState() == 1;
        }
    }
    
    private final Sync sync = new Sync();
    
    public void lock() { sync.acquire(1); }
    public void unlock() { sync.release(1); }
    public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); }
}

七、AQS在分布式环境中的启示

虽然AQS是单机并发框架，但其设计思想对分布式锁设计有重要启示：

  1. 状态抽象：将锁状态抽象为可序列化的值
  2. 等待队列：分布式环境下的等待队列设计（如Redis List）
  3. CAS思想：分布式CAS通过版本号或乐观锁实现
  4. 可重入设计：记录持有者信息和重入次数

总结

AQS作为Java并发编程的基石，其精妙的设计体现了 Doug Lea 大师对并发问题的深刻理解。通过状态管理、CLH队列和模板方法三大支柱，AQS提供了一个高效、灵活且可扩展的同步器框架。

核心要点回顾：

  1. AQS通过volatile int state + CAS实现无锁状态管理
  2. CLH变体队列高效管理等待线程，减少竞争
  3. 模板方法模式分离不变部分和可变部分，提高扩展性
  4. 支持独占和共享两种模式，覆盖大部分并发场景
  5. 公平与非公平策略的权衡体现了性能与公平性的平衡

掌握AQS不仅有助于理解Java并发工具的实现原理，更能提升我们对并发编程本质的认识，为设计高性能、高可用的并发系统奠定坚实基础。

如需获取更多关于Java锁体系深度解析、AQS核心原理、JUC并发工具实战、分布式锁实现方案、锁性能优化秘籍、并发编程最佳实践等内容，请持续关注本专栏《Java并发锁机制全面精通》系列文章。

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