AQS-模板方法

AQS 的模板方法是一系列 public final 方法，它们定义了线程获取与释放同步状态的固定算法骨架。子类无法重写它们，只能通过实现钩子方法来嵌入自己的同步逻辑。

以下按照独占模式 、共享模式 和可中断/超时变体三个维度，对核心模板方法进行源码级详解。

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一、独占模式模板方法

1. acquire(int arg)

作用 ：独占式获取资源，不响应中断，失败则进入队列等待直到成功。

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

内部调用链：

1. tryAcquire(arg)：钩子方法，快速尝试获取锁。
2. addWaiter(Node.EXCLUSIVE) ：获取失败时，将当前线程包装成独占模式 节点，原子地加入 CLH 队列尾部。
3. acquireQueued(node, arg) ：进入自旋 + 阻塞 循环，直到获取锁成功。
   • 若前驱是 head，则再次尝试 tryAcquire。
   • 否则，将前驱状态设为 SIGNAL，然后 LockSupport.park(this) 阻塞自己。
   • 被唤醒后继续循环。
4. selfInterrupt() ：如果在等待过程中被中断过，acquireQueued 返回 true，此时补偿一次中断标记。

关键点 ：该方法忽略中断，即线程在等待中被中断时不会抛出异常，只是记录中断状态。

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2. acquireInterruptibly(int arg)

作用 ：独占式获取资源，响应中断 。若在等待中被中断，则抛出 InterruptedException。

public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (!tryAcquire(arg))
        doAcquireInterruptibly(arg);
}

doAcquireInterruptibly 核心逻辑：

private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null;
                return;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                // 关键差异：检测到中断时直接抛出异常
                throw new InterruptedException();
        }
    } catch (Throwable t) {
        cancelAcquire(node);
        throw t;
    }
}

与 acquire 的区别 ：在 parkAndCheckInterrupt() 返回 true（表示被中断唤醒）时，直接抛出异常，而非仅记录中断状态。

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3. tryAcquireNanos(int arg, long nanosTimeout)

作用 ：独占式获取资源，响应中断且支持超时 。超时未获取到则返回 false。

核心逻辑：

• 计算剩余超时时间 deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout。
• 在循环中：
  • 检查中断。
  • 尝试获取锁。
  • 若剩余时间 ≤ spinForTimeoutThreshold（1000 纳秒），则不再阻塞，改为自旋等待，避免阻塞/唤醒的开销大于超时时间。
  • 否则 LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout) 阻塞指定时间。
• 超时后返回 false，并取消节点。

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4. release(int arg)

作用：独占式释放资源。

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

流程：

1. 调用钩子 tryRelease。
2. 若返回 true（资源完全释放），则获取当前 head 节点。
3. 若 head 存在且状态不为 0（通常为 SIGNAL），则调用 unparkSuccessor(h) 唤醒后继节点。

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二、共享模式模板方法

1. acquireShared(int arg)

作用 ：共享式获取资源，不响应中断。

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

doAcquireShared 核心逻辑：

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

关键差异 setHeadAndPropagate：

• 获取成功后，不仅将自己设为 head，还会检查 tryAcquireShared 的返回值 r。
• 若 r > 0（表示还有剩余资源），则调用 doReleaseShared() 继续唤醒下一个共享节点 ，实现链式唤醒传播 。这是 CountDownLatch 和 Semaphore 能一次性唤醒一批线程的原因。

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2. acquireSharedInterruptibly(int arg)

作用 ：共享式获取，响应中断 。逻辑与 acquireShared 类似，但在检测到中断时抛出 InterruptedException。

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3. tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)

作用 ：共享式获取，响应中断且支持超时。

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4. releaseShared(int arg)

作用：共享式释放资源。

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

doReleaseShared 核心逻辑：

• 自旋 + CAS 修改 head.waitStatus。
• 若 head 状态为 SIGNAL，则 CAS 将其改为 0，并唤醒后继节点。
• 若 head 状态为 0，则 CAS 将其改为 PROPAGATE（传播状态），确保唤醒动作能传播到后续节点。

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三、条件队列相关模板方法

AQS 内部还有一个 ConditionObject 类，实现了 Condition 接口，用于精细化线程调度。其模板方法包括：

方法	作用
await()	释放锁，进入条件队列阻塞，等待 signal
signal()	将条件队列中的第一个节点转移到同步队列，使其有机会重新获取锁
signalAll()	将所有条件队列节点转移到同步队列

这些方法也遵循模板方法模式，内部调用 isHeldExclusively() 钩子检查独占状态，并操作条件队列（单向链表）。

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四、模板方法执行全链路图解

以独占锁 acquire 成功和失败两条路径为例，展示模板方法如何串联钩子方法与底层队列：

graph TD subgraph 成功路径 A[调用 acquire] --> B{tryAcquire?} B -- true --> C[直接返回，持有锁] end subgraph 失败路径 B -- false --> D[addWaiter 创建 EXCLUSIVE 节点入队] D --> E[acquireQueued 自旋循环] E --> F{前驱是 head?} F -- 否 --> G[shouldParkAfterFailedAcquire 设前驱为 SIGNAL] G --> H[parkAndCheckInterrupt 阻塞] H --> E F -- 是 --> I{tryAcquire?} I -- false --> G I -- true --> J[setHead 出队] J --> K[返回中断状态] end

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五、模板方法总结对照表

模板方法	模式	响应中断	支持超时	核心内部调用
acquire	独占	❌	❌	tryAcquire → addWaiter → acquireQueued
acquireInterruptibly	独占	✅	❌	tryAcquire → doAcquireInterruptibly
tryAcquireNanos	独占	✅	✅	tryAcquire → doAcquireNanos
release	独占	---	---	tryRelease → unparkSuccessor
acquireShared	共享	❌	❌	tryAcquireShared → doAcquireShared → setHeadAndPropagate
acquireSharedInterruptibly	共享	✅	❌	同上，但中断抛异常
tryAcquireSharedNanos	共享	✅	✅	同上，加超时控制
releaseShared	共享	---	---	tryReleaseShared → doReleaseShared

这些模板方法构成了 AQS 的并发调度引擎 ，它们确保所有基于 AQS 的同步组件在排队策略、阻塞唤醒、中断处理、超时控制 上行为一致且性能最优。子类只需专注于资源获取与释放的业务判定即可。