深入解析 AQS：从源码到实践，剖析 ReentrantLock 和 Semaphore 的实现

引言

在 Java 并发编程中，AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是一个核心框架，它为构建锁和其他同步器提供了基础支持。ReentrantLock 和 Semaphore 是 AQS 的两个典型实现，分别用于实现可重入锁和信号量。本文将从底层源码的角度，深入分析 AQS 的核心机制，并结合 ReentrantLock 和 Semaphore 的实际应用场景，探讨其设计思想与实现细节。

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一、AQS 的核心机制

1.1 AQS 的设计思想

AQS 的核心思想是通过一个 FIFO 队列（CLH 队列）来管理线程的排队和唤醒机制，同时结合一个 state 变量来表示同步状态。AQS 提供了两种模式：

• 独占模式：同一时刻只有一个线程可以获取资源（如 ReentrantLock）。
• 共享模式：多个线程可以同时获取资源（如 Semaphore）。

1.2 核心数据结构

1.2.1 state 变量

state 是 AQS 的核心变量，用于表示同步状态。例如：

• 在 ReentrantLock 中，state 表示锁的重入次数。
• 在 Semaphore 中，state 表示剩余的许可数。

private volatile int state; // 同步状态

1.2.2 CLH 队列

AQS 使用 CLH 队列（Craig, Landin, and Hagersten 锁队列）来管理等待线程。每个线程被封装为一个 Node 节点，节点中保存了线程的状态（如等待、取消）以及前驱和后继节点的引用。

static final class Node {
    volatile int waitStatus; // 线程状态
    volatile Node prev;      // 前驱节点
    volatile Node next;      // 后继节点
    volatile Thread thread;  // 等待线程
}

1.3 关键方法

1.3.1 acquire(int arg)

acquire 是获取资源的核心方法。它的主要逻辑如下：

1. 调用 tryAcquire 尝试获取资源。
2. 如果获取失败，将当前线程封装为 Node 并加入 CLH 队列。
3. 通过自旋和 LockSupport.park() 挂起线程，等待唤醒。

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

1.3.2 release(int arg)

release 是释放资源的核心方法。它的主要逻辑如下：

1. 调用 tryRelease 尝试释放资源。
2. 如果释放成功，唤醒 CLH 队列中的下一个线程。

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

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二、ReentrantLock 的实现

2.1 公平锁与非公平锁

ReentrantLock 支持公平锁和非公平锁两种模式：

• 公平锁：严格按照 CLH 队列的顺序获取锁。
• 非公平锁：允许插队，新线程可以直接尝试获取锁。

2.1.1 公平锁的实现

公平锁在 tryAcquire 中会检查是否有前驱节点，如果有则放弃获取锁。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    if (getState() == 0 && !hasQueuedPredecessors() &&
        compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(currentThread());
        return true;
    }
    return false;
}

2.1.2 非公平锁的实现

非公平锁在 tryAcquire 中不会检查前驱节点，直接尝试获取锁。

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    if (getState() == 0 && compareAndSetState(0, acquires)) {
        setExclusiveOwnerThread(currentThread());
        return true;
    }
    return false;
}

2.2 tryLock() 和 lock() 方法

• lock()：调用 acquire(1)，如果获取失败则进入等待队列。
• tryLock()：调用 tryAcquire(1)，立即返回是否获取成功。

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三、Semaphore 的实现

3.1 信号量的许可数管理

Semaphore 通过 state 变量表示剩余的许可数。acquire() 和 release() 方法分别用于获取和释放许可。

3.1.1 acquire()

acquire 方法会减少 state 的值，如果许可不足则进入等待队列。

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

3.1.2 release()

release 方法会增加 state 的值，并唤醒等待线程。

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

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四、实际应用场景

4.1 ReentrantLock 的应用

• 高并发环境下的资源竞争控制：如数据库连接池的并发访问。
• 可重入特性：支持同一线程多次获取锁，避免死锁。

4.2 Semaphore 的应用

• 线程池的任务调度：通过信号量限制并发任务数。
• 限流：控制系统的并发请求数，防止资源耗尽。

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五、性能优化和注意事项

5.1 性能优化

• 自旋锁：在短时间内通过自旋尝试获取锁，减少线程切换的开销。
• CAS 操作：通过 compareAndSetState 实现无锁化的状态更新。

5.2 注意事项

• 避免死锁：确保锁的获取和释放成对出现。
• 合理设置超时：使用 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 避免长时间等待。

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六、总结与展望

AQS 是 Java 并发包的基石，其设计思想（CLH 队列 + state 变量）为构建高效、灵活的同步器提供了强大支持。ReentrantLock 和 Semaphore 是 AQS 的典型应用，分别解决了独占资源和共享资源的同步问题。

未来，AQS 可能会在以下方面进一步优化：

1. 更高效的自旋策略。
2. 对 NUMA 架构的更好支持。
3. 更灵活的同步模式扩展。

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附录

图表：CLH 队列结构

Head -> Node1 -> Node2 -> Node3 -> Tail

关键代码片段

• AQS 的 acquire 和 release 方法。
• ReentrantLock 的公平锁与非公平锁实现。
• Semaphore 的 acquire 和 release 方法。

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通过本文的分析，相信读者能够深入理解 AQS 的设计思想及其在 ReentrantLock 和 Semaphore 中的应用，为高并发编程打下坚实基础。