AbstractQueuedSynchronizer（简称 AQS）是 Java 并发包（java.util.concurrent）中最核心的基础类之一，几乎所有自定义的同步器（如ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore、FutureTask等）都直接或间接地基于 AQS 实现。本文将深入探讨 AQS 的核心设计思想、内部数据结构、关键方法实现、以及它背后的并发控制模型。
一、AQS 的核心设计思想
AQS 提供了一个 队列式的、基于状态的同步框架，它的设计思想非常明确：
基本模型：
通过维护一个 volatile 的 state 变量来表示同步状态，并用一个 FIFO 队列管理等待线程。
具体来说，它实现了两种锁的语义：
- 独占（Exclusive）：只能一个线程获取，比如
ReentrantLock。 - 共享（Shared）：多个线程可以同时获取，比如
Semaphore。
开发者通过继承 AQS 并重写其 tryAcquire / tryRelease 等方法来实现自定义的同步逻辑，而不需要关心线程挂起/唤醒的底层细节。
️ 二、AQS 的关键内部结构
1. state 变量（同步状态）
private volatile int state;这是 AQS 的核心状态变量，通常用来表示资源是否可用、计数器大小等。子类通过 getState() / setState() / compareAndSetState() 来访问和修改它。
2. CLH 队列（等待队列）
AQS 使用一种变种的 CLH（Craig, Landin, and Hagersten）锁队列 来维护所有正在等待获取锁的线程。
static final class Node {
volatile Node prev;
volatile Node next;
volatile Thread thread;
volatile int waitStatus;
}常见的 waitStatus 值：
0：默认状态SIGNAL (-1)：后继节点等待唤醒CANCELLED (1)：线程取消等待CONDITION (-2)：表示在 condition 上等待PROPAGATE (-3)：共享模式传播
队列头尾指针：
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;AQS 通过 enq() 和 acquireQueued() 等方法管理队列入队/出队与线程阻塞/唤醒的逻辑。
⚙️ 三、核心方法详解
1. acquire(int arg)：独占模式获取
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}流程如下：
- 首先尝试获取锁（调用子类实现的
tryAcquire()）； - 获取失败则将当前线程包装成 Node 并加入等待队列；
- 在队列中自旋等待，并最终阻塞（
LockSupport.park()）； - 直到被前驱唤醒并重新竞争资源。
2. release(int arg)：独占模式释放
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}- 调用子类的
tryRelease()释放资源； - 如果成功，唤醒等待队列中的下一个线程。
3. acquireShared(int arg) / releaseShared(int arg)
共享模式下的获取和释放，允许多个线程同时访问资源（如信号量）。
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}四、自定义同步器的三大步骤
要实现一个自定义同步器，一般遵循以下步骤：
1. 继承 AbstractQueuedSynchronizer
class MyLock extends AbstractQueuedSynchronizer {
...
}2. 实现同步逻辑（重写关键方法）
protected boolean tryAcquire(int arg) {
// 例如实现不可重入独占锁
return compareAndSetState(0, 1);
}
protected boolean tryRelease(int arg) {
setState(0);
return true;
}3. 暴露锁 API 给外部调用
public void lock() {
acquire(1);
}
public void unlock() {
release(1);
}五、AQS 的典型应用场景
| 类名 | 功能 | AQS 模式 |
|---|---|---|
ReentrantLock | 可重入独占锁 | 独占 |
Semaphore | 信号量 | 共享 |
CountDownLatch | 倒计时器 | 共享 |
ReadWriteLock | 读写锁 | 独占 + 共享 |
FutureTask | 任务状态管理 | 独占 |
这些类都封装了 AQS 提供的同步能力，让我们得以用更高层的 API 进行线程协作。
六、深入理解：CLH 队列与线程挂起/唤醒
✴️ 挂起线程：LockSupport.park()
当线程获取锁失败，就会调用 LockSupport.park(this) 挂起自己。
✴️ 唤醒线程：LockSupport.unpark(thread)
释放锁后，会唤醒队列中的下一个节点对应的线程。
这是一种 显式挂起-唤醒机制，相比传统 wait/notify 更加灵活和安全，不依赖对象 monitor。
七、AQS 存在的问题和挑战
- 非公平锁可能导致线程“饿死”；
- 锁竞争激烈时，自旋+挂起开销大；
- 调试困难，出错后难以定位问题源头；
- 死锁风险高，一旦
tryAcquire实现不当容易出问题；
因此，在使用 AQS 时，强烈建议封装为高层 API 使用，不要轻易手写同步器，除非非常熟悉。
✅ 总结
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 模型 | 基于状态的同步器 |
| 队列 | CLH 队列实现等待线程排队 |
| 支持 | 独占与共享两种模式 |
| 控制点 | 子类重写 tryAcquire / tryRelease 等控制同步行为 |
| 应用 | ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、FutureTask 等 |
推荐阅读与资料
- 《Java 并发编程实战》（Java Concurrency in Practice）
- Doug Lea 的 AQS 原始设计文档
- JDK 源码中的
AbstractQueuedSynchronizer.java注释 - 博客：Martin Fowler 的并发模式分析