深度解析 Java 並發核心：AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 原理與源碼詳解

前言

AbstractQueuedSynchronizer（以下簡稱 AQS）是 Java 並發包（java.util.concurrent）中鎖、信號量、屏障等同步組件的基石。理解 AQS，等於掌握了 JUC 同步機制的「心法」。本文系統梳理 AQS 的狀態管理、獨占/共享鎖流程、隊列機制與 Condition 實現。

核心類體系

• AbstractOwnableSynchronizer：提供 getExclusiveOwnerThread()/setExclusiveOwnerThread()，記錄獨占鎖持有線程。
• AbstractQueuedSynchronizer：核心實現，基於 int 狀態。
• AbstractQueuedLongSynchronizer：基於 long 狀態，用於需要更大狀態值的場景。

子類（如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch）通過實現 tryAcquire/tryRelease 等模板方法，定義具體的同步語義。

一、狀態管理

state 由子類賦予業務含義：如 ReentrantLock 表示重入次數，CountDownLatch 表示計數值，Semaphore 表示許可證數量。

• getState()：獲取當前狀態。
• setState(int newState)：設置狀態。
• compareAndSetState(int expect, int update)：CAS 修改狀態，保證原子性。

二、獨占鎖

適用於 ReentrantLock 等互斥鎖場景。

關鍵模板方法（子類實現）

• tryAcquire(int arg)：嘗試獲取鎖，成功返回 true，否則 false（進入隊列排隊）。
• tryRelease(int arg)：嘗試釋放鎖，成功返回 true（喚醒下一個節點），否則 false。
• isHeldExclusively()：當前線程是否持有獨占鎖。

核心流程

1. acquire(arg)：調用 tryAcquire，失敗則 addWaiter 入隊，acquireQueued 自旋阻塞。
2. release(arg)：調用 tryRelease，成功則 unparkSuccessor 喚醒後繼節點。

三、共享鎖

適用於 ReadWriteLock 讀鎖、CountDownLatch、Semaphore 等場景。

關鍵模板方法（子類實現）

• tryAcquireShared(int arg)：返回 ≥0 表示獲取成功（可傳遞剩餘資源數），<0 表示失敗。
• tryReleaseShared(int arg)：返回 true 表示釋放成功需喚醒後繼。

核心流程

1. acquireShared(arg)：嘗試獲取，失敗進 doAcquireShared 入隊自旋。
2. releaseShared(arg)：釋放狀態，喚醒後繼節點（可能喚醒多個共享節點）。

四、同步隊列 (CLH 變體)

AQS 維护一個 FIFO 雙向隊列，節點類型 Node 包含 prev、next、thread、waitStatus、mode(獨占/共享)。

常用檢查方法

• getQueueLength()、hasQueuedThreads()、getQueuedThreads()
• getFirstQueuedThread()：獲取隊頭線程。
• hasQueuedPredecessors()：公平鎖關鍵，判斷當前線程是否有前驅節點。
• hasContended()：是否曾有線程入隊競爭過。

五、Condition 實現

ConditionObject 是 AQS 內部類，實現 Condition 接口，每個 Condition 對應一個單向等待隊列（firstWaiter/lastWaiter）。

核心操作

• await()：當前線程釋放鎖，構造節點加入 Condition 隊列，阻塞等待。
• signal()：將 Condition 隊列頭節點移至同步隊列尾部，等待重新競爭鎖。

監控方法

• owns(ConditionObject)、hasWaiters(ConditionObject)、getWaitQueueLength(ConditionObject)、getWaitingThreads(ConditionObject)

總結

AQS 採用「模板方法模式」+「CLH 隊列變體」+「CAS 狀態更新」的設計，將同步狀態管理、線程排隊阻塞/喚醒、條件等待等通用邏輯下沉，極大降低了自定義同步組件的開發難度。掌握 tryAcquire/Release 與 tryAcquireShared/ReleaseShared 的語義契約，是閱讀 JUC 源碼的關鍵鑰匙。