并发面试必问：什么是AQS? 一文让你彻底搞懂!

在 Java 并发编程中，AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是一个非常重要的组件。AQS 是 JDK 提供的一个框架，用于实现基于 FIFO（First In, First Out）等待队列的阻塞锁和同步器，例如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等。本文将从多个角度深入解析 AQS 的工作原理及其在并发编程中的应用。

一、什么是 AQS？

AQS 概述

AQS 是一个用于构建锁和同步器的基础框架，它通过一个先进先出的等待队列管理多个线程的同步操作。AQS 提供了以下核心功能：

• 资源状态管理：通过一个整数表示同步状态，子类可以定义该状态的意义和操作方式。
• 线程排队管理：通过 FIFO 等待队列管理多个线程的竞争和等待。
• 提供模板方法：AQS 提供了一系列模板方法，子类可以通过实现这些方法来定义具体的同步机制。

AQS 设计理念

AQS 的设计理念是将同步状态和线程队列的管理逻辑抽象出来，以便不同类型的同步器可以重用这些逻辑。这样，开发者可以集中精力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。

二、AQS 的工作原理

同步状态

AQS 使用一个 volatile 类型的整数变量（state）来表示同步状态。这个状态可以由子类定义其具体意义，例如：

• 对于独占锁，state 表示锁的持有状态（0 表示未持有，1 表示持有）。
• 对于共享锁，state 表示当前持有的读锁数量。

AQS 提供了一系列的方法来操作同步状态，如 getState()、setState(int newState) 和 compareAndSetState(int expect, int update)。

等待队列

AQS 使用一个 FIFO 等待队列来管理处于等待状态的线程。当线程请求无法获取同步状态时，会被加入等待队列。等待队列由一个双向链表实现，每个节点（Node）表示一个等待线程。

模板方法

AQS 提供了以下几个模板方法，子类可以通过覆盖这些方法来实现具体的同步器逻辑：

• tryAcquire(int arg)：尝试获取同步状态。对于独占模式，如果成功获取返回 true，否则返回 false。
• tryRelease(int arg)：尝试释放同步状态。对于独占模式，如果成功释放返回 true，否则返回 false。
• tryAcquireShared(int arg)：尝试共享模式下获取同步状态。如果成功获取返回一个大于等于 0 的值，否则返回一个小于 0 的值。
• tryReleaseShared(int arg)：尝试共享模式下释放同步状态。如果成功释放返回 true，否则返回 false。

三、AQS 的应用

ReentrantLock

ReentrantLock 是一种基于 AQS 实现的可重入独占锁。它有两种模式：公平模式和非公平模式。

公平模式

公平模式下，ReentrantLock 按照请求顺序获取锁。具体实现是在 tryAcquire 方法中检查等待队列中的前驱节点，如果没有前驱节点或前驱节点的线程已经被唤醒，则尝试获取锁。

非公平模式

非公平模式下，ReentrantLock 不保证按照请求顺序获取锁，而是直接尝试获取锁。如果失败，再进入等待队列。

Semaphore

Semaphore 是一种基于 AQS 实现的计数信号量，用于控制对资源的访问数量。它可以在独占模式和共享模式下使用。

在独占模式下，Semaphore 允许一个线程访问资源。在共享模式下，Semaphore 允许多个线程同时访问资源，其核心逻辑通过 tryAcquireShared 和 tryReleaseShared 方法实现。

CountDownLatch

CountDownLatch 是一种基于 AQS 实现的同步工具，它允许一个或多个线程等待一组操作完成。CountDownLatch 通过一个计数器来实现这一功能，每当一个操作完成时，计数器减 1，当计数器减到 0 时，所有等待的线程被唤醒。

CountDownLatch 主要使用了 AQS 的共享模式，通过 tryAcquireShared 方法判断计数器是否为 0，如果是，则获取同步状态，否则进入等待队列。

四、AQS 的优势

高度可扩展性

AQS 提供了一套通用的同步状态管理和线程排队机制，开发者可以通过扩展 AQS 实现各种复杂的同步器。AQS 的设计使得它具有高度的可扩展性，可以适应不同的并发编程需求。

可靠性和性能

AQS 使用 CAS（Compare-And-Swap）操作来管理同步状态，保证了操作的原子性和线程安全。同时，AQS 的等待队列机制减少了线程竞争，提高了并发性能。

简化开发

通过 AQS，开发者可以专注于同步器的具体逻辑实现，而无需关心底层的线程排队和状态管理细节。这大大简化了同步器的开发过程，提高了开发效率。

讨论

AQS 作为 Java 并发编程的重要基石，其设计思想和实现细节值得深入研究。理解 AQS 的工作原理，可以帮助我们更好地使用和扩展 Java 的并发工具，编写出高效、可靠的并发程序。

讨论话题：

1. 你在实际项目中使用过哪些基于 AQS 的同步工具？它们在解决什么问题？
2. 你是否遇到过 AQS 的性能瓶颈？如何解决？
3. 对于初学者，如何有效地学习和掌握 AQS 的使用和扩展？

欢迎在评论区分享你的经验和观点，我们一起探讨 AQS 的更多应用场景和优化技巧。