【JAVA进阶篇教学】第十五篇：Java中AQS讲解

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在Java并发编程中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个重要的框架，用于实现同步器和锁的基础。它提供了一种灵活的方式来实现各种同步器，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。本文将深入探讨AQS的原理、实现方式以及如何使用它来构建自定义的同步器。

目录

一、前言

二、AQS的原理

三、AQS的使用

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一、前言

在 Java 中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个用于实现同步器的抽象类，它提供了一种通用的机制来管理共享资源的访问。AQS 的主要作用是通过维护一个同步队列来实现对共享资源的同步访问，避免了多线程访问共享资源时可能出现的竞态条件和死锁等问题。

二、AQS的原理

AQS是通过一个FIFO（先进先出）的队列来管理等待线程，实现对共享资源的访问控制。它的核心思想是将状态的管理委托给了子类，通过模板方法模式来实现同步器的具体逻辑。AQS内部维护了一个state变量表示同步状态，以及一个双向链表来存放等待线程。
AQS的主要实现包括两个部分：状态管理和线程阻塞与唤醒。

• 状态管理：AQS通过getState()和setState(int newState)方法来管理同步状态，同时提供了compareAndSetState(int expect, int update)方法来实现原子更新状态。
• 线程阻塞与唤醒：AQS通过enq(Node node)和addWaiter(Node mode)等方法将等待线程加入到等待队列中，通过release(int arg)和unparkSuccessor(Node node)等方法来唤醒等待线程。

AQS 的原理主要基于以下几个方面： 

同步队列：AQS 依赖内部的同步队列（一个 FIFO 双向队列）来完成同步状态的管理。当前线程获取同步状态失败时，同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程。当同步状态释放时，会把首节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

节点：同步队列中的节点（Node）用来保存获取同步状态失败的线程引用、等待状态以及前一个节点和后一个节点。节点的属性类型与名称以及描述如下表所示：

属性类型	名称	描述
Thread	thread	获取同步状态失败的线程
int	waitStatus	等待状态
Node	prev	前一个节点
Node	next	后一个节点

状态变量：AQS 使用两个原子状态变量来维护同步状态：

• state：表示资源的状态，可以用于表示锁的占用情况或者其他同步状态。
• exclusiveOwnerThread：表示当前占用锁的线程。 

AQS 的实现通过维护状态变量和同步队列，确保了多线程对共享资源的访问是有序的，避免了竞态条件和死锁等问题的出现。

三、AQS的使用

下面是一个简单的 AQS 使用示例，演示了如何使用 AQS 来实现一个简单的锁：

import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer;public class MyLock extends AbstractQueuedSynchronizer {@Overrideprotected boolean tryAcquire(int arg) {// 判断是否可以获取锁if (getState() == 0) {if (compareAndSetState(0, 1)) {setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());return true;}}return false;}@Overrideprotected boolean tryRelease(int arg) {// 判断是否可以释放锁if (getState() == 1 && getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()) {setExclusiveOwnerThread(null);setState(0);return true;}return false;}public void lock() {acquire(1);}public void unlock() {release(1);}public static void main(String[] args) {MyLock lock = new MyLock();// 线程 1 获取锁new Thread(() -> {lock.lock();try {System.out.println("Thread 1 获取锁成功");Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();System.out.println("Thread 1 释放锁成功");}}).start();// 线程 2 获取锁new Thread(() -> {lock.lock();try {System.out.println("Thread 2 获取锁成功");Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();System.out.println("Thread 2 释放锁成功");}}).start();}
}

在上述示例中，我们创建了一个名为MyLock的类，它继承自AbstractQueuedSynchronizer。在MyLock类中，我们重写了tryAcquire和tryRelease方法，用于实现锁的获取和释放逻辑。
在main方法中，我们创建了一个MyLock对象，并启动了两个线程。每个线程在执行任务之前，都需要先获取锁，然后在任务执行完毕后释放锁。由于锁是互斥的，所以只有一个线程能够同时获取锁。
通过使用 AQS，我们可以方便地实现各种同步器，如锁、信号量、栅栏等。AQS 的优点是通用性强、效率高、扩展性好，可以满足不同场景下的同步需求。

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