Java并发框架AQS核心机制深度剖析：State、队列与模板方法

在 java.util.concurrent 并发包中，AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 是构建众多同步器（如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch）的基石框架。深入理解其内部工作原理，是掌握 Java 高级并发编程的关键。

尽管AQS源码结构复杂，但其核心机制可以清晰地归纳为三个部分：状态（State）、FIFO队列和获取/释放方法。本文将围绕这三要素，系统性地解析AQS的设计精髓。

一、状态（State）：同步语义的通用寄存器

AQS 内部通过一个名为 state 的 volatile 整型变量来管理同步状态：

private volatile int state;

1.1 state的语义由子类定义

state 的具体含义取决于AQS子类的实现逻辑：

• ReentrantLock: state 表示锁的重入次数。初始为0（未锁定），每重入一次加1，释放时减1。只有当 state == 0 时，锁才被完全释放。
• Semaphore: state 表示当前可用的许可证数量。acquire() 尝试减少 state，release() 则增加它。
• CountDownLatch: state 表示需要倒数的次数。每次 countDown() 将其减1，当减至0时，所有等待线程被唤醒。

因此，state 是AQS用来实现不同同步语义的、可复用的核心状态字段。

1.2 state的线程安全保证

由于 state 会被多线程并发访问和修改，AQS提供了两种线程安全的更新方式：

• compareAndSetState(int expect, int update): 基于 CAS (Compare-And-Swap) 操作实现原子性更新，适用于“先读取旧值，再计算新值”的场景，是 无锁编程 的典型应用。
• setState(int newState): 直接赋值。虽然看似简单，但由于 state 由 volatile 修饰，且该方法通常用于“覆盖写入”（不依赖当前值），因此在特定上下文中是线程安全的。

核心总结：volatile 保证可见性，CAS保证原子性，配合合理的 API 使用设计，共同实现了 state 的高效、安全管理。

二、FIFO队列：等待线程的调度中心

当线程尝试获取资源（锁、许可证等）失败时，AQS不会让它立即自旋浪费CPU，而是将其封装成一个节点（Node），加入一个先进先出（FIFO）的CLH变种队列中进行管理。

• head: 指向队列头部的虚拟节点或当前持有资源的线程节点。
• tail: 指向队列尾部，新加入的等待节点会被链接到此处。

（图片来源：Doug Lea 论文《The java.util.concurrent Synchronizer Framework》）

维护这个队列需要处理高度复杂的并发场景：多线程安全地入队/出队、管理节点的多种状态（如SIGNAL、CONDITION）、以及通过 LockSupport.park/unpark 精确控制线程的阻塞与唤醒。

AQS的巧妙之处在于，它将“线程如何排队”、“何时唤醒下一个线程”这些通用且复杂的逻辑完全封装在内部。作为框架使用者或子类开发者，只需聚焦于判断“当前状态是否允许获取资源”这一业务逻辑。这种设计极大地简化了自定义同步器的实现难度，是理解 并发与同步 底层机制的重要案例。

三、获取/释放方法：模板方法模式的典范

AQS是一个抽象类，它定义了两类核心的模板方法，而将其中最关键的一步——判断获取/释放条件——留给子类实现。

3.1 获取资源（acquire）

典型方法如 acquire(int arg)（独占式）和 acquireShared(int arg)（共享式）。以 acquire 为例，其标准流程如下：

1. 调用子类实现的 tryAcquire(int arg) 方法尝试获取。
2. 若成功，则直接返回，线程继续执行。
3. 若失败，则将当前线程封装为Node加入等待队列，并可能进入阻塞状态。

应用示例：

• ReentrantLock.lock() -> 最终调用 acquire(1)
• Semaphore.acquire() -> 最终调用 acquireShared(1)
• CountDownLatch.await() -> 最终调用 acquireSharedInterruptibly(1)

3.2 释放资源（release）

典型方法如 release(int arg)（独占式）和 releaseShared(int arg)（共享式）。流程相对直接：

1. 调用子类实现的 tryRelease(int arg) 方法尝试释放并更新 state。
2. 若释放成功，则AQS负责唤醒队列中合适的等待线程（通常是后继节点）。

应用示例：

• ReentrantLock.unlock() -> 最终调用 release(1)
• Semaphore.release() -> 最终调用 releaseShared(1)
• CountDownLatch.countDown() -> 最终调用 releaseShared(1)

设计模式洞察：这正是模板方法模式的经典应用。AQS定义了算法骨架（入队、出队、阻塞、唤醒），而将算法中变化的部分（tryAcquire/tryRelease）延迟到子类中实现，实现了公共逻辑的最大化复用。

总结：三位一体的并发基石

AQS通过三大核心组件的协同工作，为Java并发库提供了强大而灵活的底层支持：

组件	核心作用	设计特点
State	承载同步状态	volatile int，语义灵活，是同步控制的“数据中枢”
FIFO队列	管理竞争失败的线程	线程安全的双向链表，实现了公平的等待与高效的调度
获取/释放方法	定义同步规则	采用模板方法模式，分离了通用流程与特定策略

理解AQS，就如同掌握了Java并发引擎的构造蓝图。它不仅是 ReentrantLock、Semaphore 等工具类的基础，其设计思想也对理解和构建其他高并发组件具有极高的参考价值。