JUC 核心的 AQS的原理

在Java的并发编程中，java.util.concurrent（简称JUC）包提供了一套丰富的并发工具类，用于帮助开发者简化并发编程的复杂性。其中，AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）是JUC包中的一个核心组件，它提供了一种框架来构建同步器（如锁、信号量等），用于管理那些依赖单个共享资源的多个线程访问。

一、AQS概述

AQS是一个用于构建锁和其他同步类的框架，它使用了一个int成员变量来表示同步状态，并通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作。AQS的核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。如果被请求的共享资源被占用，那么就需要将当前线程加入到等待队列中，并挂起直到被唤醒。

二、AQS的核心组件

1. 同步状态（State）：AQS使用一个volatile修饰的int类型的成员变量来表示同步状态。对于锁来说，这个状态可以表示锁是否被某个线程持有。

2. 节点（Node）：AQS通过内部的CLH（Craig, Landin, and Hagersten）队列的变种来实现线程的排队等待。每个Node代表一个等待获取资源的线程，节点之间通过prev和next指针连接形成双向队列。

3. 独占模式和共享模式：AQS支持两种同步模式，独占模式和共享模式。独占模式下，一次只有一个线程能持有资源；而在共享模式下，允许多个线程同时持有资源。

三、AQS的工作原理

1. 资源的获取（acquire）

• 当线程尝试获取资源时，首先会尝试更新同步状态。
• 如果同步状态允许获取资源（例如，在独占模式下，状态为0表示资源空闲），则获取成功，线程继续执行。
• 如果同步状态不允许获取资源（例如，状态不为0），则当前线程会被包装成一个Node节点，并加入到等待队列中。
• 加入队列后，线程会进入一个自旋的过程，不断检查前置节点的状态，直到自己能够被唤醒继续尝试获取资源。

2. 资源的释放（release）

• 当线程使用完资源后，会释放资源，并尝试唤醒等待队列中的其他线程。
• 在独占模式下，释放资源通常意味着将同步状态设置为0，并唤醒等待队列中的头节点对应的线程。
• 在共享模式下，释放资源可能会更新同步状态，但不一定将状态设置为0，同时可能需要唤醒多个等待线程。

四、AQS的优势

• 简化同步器的实现：AQS提供了一套完整的线程阻塞等待以及唤醒机制，开发者只需要实现状态的检查、状态的更新等核心逻辑，无需关心线程等待队列的维护。
• 性能高效：AQS通过CAS（Compare-And-Swap）操作来确保同步状态的原子性更新，减少了锁的使用，提高了性能。
• 灵活性：AQS支持独占和共享两种同步模式，能够满足不同的同步需求。

五、总结

AQS是Java并发框架中的一个重要组件，它提供了一种构建同步器的框架，通过维护一个同步状态和等待队列，实现了线程的阻塞和唤醒，从而简化了同步器的实现。AQS的设计思想体现了Java并发编程中的许多重要概念，如volatile关键字的使用、CAS操作、自旋锁等，是深入理解Java并发编程不可或缺的一部分。