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1 什么是AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 中实现锁和同步器的基础设施，它是一个抽象类，提供了构建锁和同步器的基本框架，可以用于实现 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等同步器。A Q S定义了一套多线程访问共享资源的同步模板，解决了实现同步器时涉及的大量细节问题，能够极大地减少实现工作。

2 AQS结构

state同步状态、Node组成的CLH队列、ConditionObject条件变量（包含Node组成的条件单向队列）。

2.1 同步状态

对于A Q S来说，线程同步的关键是对state的操作，可以说获取、释放资源是否成功都是由state决定的，比如state>0代表可获取资源，否则无法获取，所以state的具体语义由实现者去定义，现有的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch定义的state语义都不一样。

• ReentrantLock的state用来表示是否有锁资源
• ReentrantReadWriteLock的state高16位代表读锁状态，低16位代表写锁状态
• Semaphore的state用来表示可用信号的个数
• CountDownLatch的state用来表示计数器的值

2.2 CLH队列

CLH是AQS内部维护的FIFO（先进先出）双端双向队列（方便尾部节点插入），基于链表数据结构，当一个线程竞争资源失败，就会将等待资源的线程封装成一个Node节点，通过CAS原子操作插入队列尾部，最终不同的Node节点连接组成了一个CLH队列，所以说AQS通过CLH队列管理竞争资源的线程。
在AQS的实现中，如果线程在获取锁时发现锁已经被占用，那么此时线程将进入自旋等待。自旋等待的次数由重入次数和内部逻辑决定，如果自旋等待时间过长或获取不到锁，线程将转入阻塞状态。通过 acquire() 和 release() 接口向队列中添加或移除等待线程。

• acquire() 中，AQS 会使用 CAS 操作来尝试获得锁，如果获得失败，则会将当前线程加入到等待队列中
• release() 中，AQS 则会唤醒等待队列中的线程，使其有机会再次尝试获取锁。

什么是CAS？
CAS（Compare-and-Swap）是一种原子性操作，用于实现并发编程中的同步机制。CAS 操作可用于多线程之间进行协作，确保只有一个线程可以对某个共享变量进行修改。

期望对象为某个值并设置为新的值。那么，如果不为期望的值或更新值失败，返回false；如果为期望的值并且设置成功，那么返回true。CAS 操作通常包含三个参数：

• 内存地址 V：用于指示需要更新的值的内存地址。
• 预期值 A：用于指示存储在 V 中的预期值，即当前值。
• 新值 B：用于指示需要将 V 更新为的新值。

什么是自旋?
自旋是一种在线程等待锁或资源时的暂停方式。当一个线程在获取锁或者等待资源时，如果发现资源被占用并不会立即被释放，那么该线程将不会进入阻塞状态，而是一直循环询问资源状态是否可用，此时该线程就处于自旋状态，循环执行一段无意义的指令，直到获取到锁或资源后再继续执行下去。

自旋可以减少线程的阻塞和唤醒的次数，从而减少线程上下文切换的开销，提高整个系统的运行效率。因为当线程竞争的资源较少时，自旋等待是比较有效的，而当资源竞争比较激烈时，自旋等待会导致大量的资源浪费，此时需要使用其他方式进行线程等待。

需要注意的是，自旋等待不适用于所有场景。当线程等待时间较长时，自旋等待可能会显著影响系统性能，此时可以使用线程阻塞或其他方式实现等待。此外，自旋等待还可能会导致CPU资源的浪费，因此需要根据实际情况进行选择和使用。

CLH队列的优点

• 先进先出保证了公平性
• 非阻塞的队列，通过自旋锁和C A S保证节点插入和移除的原子性，实现无锁快速插入
• 采用了自旋锁思想，所以CLH也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁
• 由于每个线程只需要关注自己的前驱节点，因此减少了不必要的锁竞争，提高了锁竞争的效率
• 同时，CLH队列通过自适应的方式来扩展队列，可以根据需要动态分配、释放队列节点，且不会出现竞争情况。

2.3 Node

Node是A Q S的内部类，每个等待资源的线程都会封装成Node节点组成C L H队列、等待队列。

3 AQS流程

线程获取资源失败，封装成Node节点从C L H队列尾部入队并阻塞线程，某线程释放资源时会把C L H队列首部Node节点关联的线程唤醒，再次获取资源。