AQS深度解析与技术模拟

引言

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包（java.util.concurrent）中的一个核心组件，为构建锁和其他同步器提供了一个强大的基础框架。AQS通过定义一套多线程访问共享资源的同步器框架，极大地简化了同步组件的开发。本文将通过第一原理对AQS进行深入分析，涵盖其相关概念、业务场景、历史背景、功能点、底层原理，并使用Java代码进行模拟，以帮助读者全面理解AQS。

AQS概述

什么是AQS？

AQS，全称AbstractQueuedSynchronizer，是Java中的一个抽象队列式同步器。它是java.util.concurrent.locks包中的一个基础框架，用于实现基于FIFO（First In, First Out）等待队列的阻塞锁和同步器，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。AQS通过维护一个共享资源状态和一个线程等待队列，实现了对共享资源的高效管理和线程间的协调。

AQS的核心功能

AQS的核心功能包括：

1. 同步状态管理：通过一个整数变量（state）来表示同步状态，该变量是volatile修饰的，保证线程间的可见性。
2. 线程等待队列管理：AQS内部维护了一个FIFO的双向链表队列，用于存放等待获取同步状态的线程。
3. 线程阻塞与唤醒：当线程无法获取同步状态时，会被放入等待队列并阻塞；当同步状态被释放时，会唤醒等待队列中的线程。

AQS的相关概念

共享资源与独占资源

AQS支持两种资源共享方式：

1. 独占（Exclusive）：每次只能有一个线程访问资源，如ReentrantLock。
2. 共享（Shared）：允许多个线程同时访问资源，但可能需要遵循一定的条件或限制，如Semaphore、CountDownLatch。

CLH队列

AQS内部使用的等待队列是基于CLH（Craig, Landin, and Hagersten）锁队列的变种。CLH队列是一个虚拟的双向队列，节点之间通过指针关联，而不是通过实际的队列实例。这种设计减少了内存开销，提高了并发性能。

AQS的业务场景

分布式任务调度

在分布式系统中，多个节点可能会同时尝试执行某个任务，如定时任务或业务逻辑处理。为了防止多个节点同时执行同一个任务，可以使用AQS实现分布式任务调度锁。通过AQS的独占模式，可以确保只有一个节点能够获取锁并执行任务，其他节点则会被阻塞，直到锁被释放。

数据库连接池

数据库连接池是一种常见的资源池化技术，用于管理数据库连接的创建、分配和释放。通过AQS，可以实现一个高效的数据库连接池。当需要获取数据库连接时，线程会尝试获取AQS的同步状态（表示可用连接的数量）；如果获取失败，则线程会被放入等待队列并阻塞；当连接被释放时，会唤醒等待队列中的线程，使其能够重新获取连接。

AQS的历史背景

排队思想的起源

排队的思想最早可以追溯到1990年T.E.Anderson发表的论文《The Performance of Spin Lock Alternatives for Shared-Memory Multiprocessors》。该论文讨论了基于CPU原子指令的自旋锁性能瓶颈，并提出了基于数组的自旋锁设计。随后，Mellor-Crummey和Scott提出了MCS锁，以及Craig、Landin和Hagersten设计的CLH锁，这些工作为AQS的设计提供了重要的理论基础。

AQS的诞生

在Java 5中，JSR 166规范引入了java.util.concurrent包，该包提供了一系列支持并发的组件。为了简化同步组件的开发，Doug Lea提出了AQS框架。AQS通过抽象出同步状态和线程队列的管理逻辑，使得开发者可以专注于具体的同步器逻辑实现，而无需关心底层的线程排队和状态管理细节。

AQS的功能点

同步状态管理

AQS使用一个volatile类型的整数变量（state）来表示同步状态。子类可以通过重写getState()、setState(int newState)和compareAndSetState(int expect, int update)方法来操作同步状态。

线程等待队列管理

AQS内部维护了一个FIFO的双向链表队列，用于存放等待获取同步状态的线程。每个节点（Node）代表一个等待线程，包含线程引用、等待状态、前驱节点和后继节点等信息。

线程阻塞与唤醒

当线程无法获取同步状态时，会被封装成一个节点并加入等待队列。AQS通过LockSupport.park(Object blocker)方法阻塞线程，并通过LockSupport.unpark(Thread thread)方法唤醒线程。

AQS的底层原理

同步状态管理

AQS使用一个volatile类型的整数变量（state）来表示同步状态。由于state是volatile修饰的，因此保证了线程间的可见性。子类可以通过重写getState()、setState(int newState)和compareAndSetState(int expect, int update)方法来操作同步状态。

线程等待队列管理

AQS内部维护了一个FIFO的双向链表队列（等待队列），用于存放等待获取同步状态的线程。每个节点（Node）代表一个等待线程，包含线程引用、等待状态、前驱节点和后继节点等信息。节点之间通过指针关联，形成一个虚拟的双向队列。

线程阻塞与唤醒

当线程无法获取同步状态时，会被封装成一个节点并加入等待队列。AQS通过LockSupport.park(Object blocker)方法阻塞线程，使其进入WAITING状态并释放CPU资源。当同步状态被释放时，AQS会唤醒等待队列中的线程，使其能够重新竞争同步状态。

模板方法模式

AQS使用了模板方法模式来设计同步器。子类通过继承AQS并重写tryAcquire(int arg)、tryRelease(int arg)、tryAcquireShared(int arg)和tryReleaseShared(int arg)等方法来实现具体的同步器逻辑。AQS提供了acquire(int arg)、release(int arg)、acquireShared(int arg)和releaseShared(int arg)等模板方法，这些方法内部调用了子类重写的方法来实现同步操作。

Java模拟AQS实现

自定义独占锁

下面是一个基于AQS实现的自定义独占锁的示例代码：

java复制代码
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
public class CustomLock implements Lock {
// 内部类继承AbstractQueuedSynchronizer，实现独占锁逻辑
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 尝试获取锁（独占模式）
@Override
protected boolean tryAcquire(int acquires) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 设置持有锁的线程
return true;
            }
return false;
        }
// 尝试释放锁
@Override
protected boolean tryRelease(int releases) {
if (getState() == 0) {
throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            setExclusiveOwnerThread(null); // 清空持有锁的线程
            setState(0); // 设置状态为0，表示锁已释放
return true;
        }
// 是否被占用
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() == 1;
        }
    }
private final Sync sync = new Sync();
// 获取锁
public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
// 释放锁
public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
// 是否锁定
public boolean isLocked() {
return sync.isHeldExclusively();
    }
}

测试自定义独占锁

下面是一个测试自定义独占锁的示例代码：

java复制代码
public class CustomLockTest {
public static void main(String[] args) {
CustomLock lock = new CustomLock();
// 创建多个线程模拟锁的竞争
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is trying to acquire the lock.");
                lock.lock();
try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has acquired the lock.");
                    Thread.sleep(2000); // 模拟业务处理
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is releasing the lock.");
                    lock.unlock();
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行结果示例

复制代码
Thread-0 is trying to acquire the lock.
Thread-0 has acquired the lock.
Thread-1 is trying to acquire the lock.
Thread-2 is trying to acquire the lock.
Thread-3 is trying to acquire the lock.
Thread-4 is trying to acquire the lock.
Thread-0 is releasing the lock.
Thread-1 has acquired the lock.
Thread-1 is releasing the lock.
Thread-2 has acquired the lock.
Thread-2 is releasing the lock.
Thread-3 has acquired the lock.
Thread-3 is releasing the lock.
Thread-4 has acquired the lock.
Thread-4 is releasing the lock.

总结

AQS是Java并发编程中的一个核心组件，为构建锁和其他同步器提供了一个强大的基础框架。通过定义一套多线程访问共享资源的同步器框架，AQS极大地简化了同步组件的开发。本文深入分析了AQS的相关概念、业务场景、历史背景、功能点和底层原理，并通过Java代码模拟了自定义独占锁的实现。希望本文能够帮助读者全面理解AQS的工作原理和应用场景，从而更好地利用Java并发编程技术。