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AQS是什么，使用应注意什么

news 来源：原创 2025/4/28 9:40:18

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AQS的基本概念和它在Java并发包中的作用，
涉及到AQS的定义、核心组件、资源获取流程、设计思想以及实际应用。
AQS的潜在问题。AQS依赖CLH队列和CAS操作，这些设计虽然高效但也存在一些问题。

1. 复杂性：AQS的实现相对复杂，尤其是对于不熟悉其内部机制的人来说，
    正确实现子类（如tryAcquire等方法）可能有难度，容易出错。

2. 性能问题：虽然AQS设计为高效，但在高竞争情况下，频繁的CAS操作可能导致CPU缓存行失效，
    增加开销。此外，自旋和阻塞的平衡点可能难以掌握。

3. 公平性问题：非公平锁虽然提高了吞吐量，但可能导致线程饥饿，
    尤其是在高负载情况下，某些线程可能长时间无法获取锁。

4. 内存开销：每个等待线程都会被封装成Node对象，大量线程等待时可能增加内存消耗，甚至引发GC问题。

5. 调试困难：由于AQS管理线程的阻塞和唤醒，当出现死锁或活锁时，
调试起来比较困难，因为线程状态可能不易追踪。

另外，在实际使用中如何避免这些问题，比如 正确实现子类方法、合理选择公平性策略、监控资源竞争情况等。
给出相应的解决方案或最佳实践。

一、AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是什么？

AQS 是 Java 并发包（java.util.concurrent.locks）中的核心抽象类，用于构建锁和同步器的基础框架。
它是 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等同步工具的底层实现基础。提供了一套通用的线程阻塞、唤醒和资源管理机制。

核心功能：

管理线程的阻塞与唤醒（通过 CLH 队列）。

提供共享资源（state）的原子性操作（如获取、释放）。

AQS 底层原理

AQS 的核心设计围绕 一个 volatile 的 int 状态变量（state） 和 一个双向阻塞队列（CLH 队列）。

1. 关键组成

组件	作用
volatile int state	表示共享资源的状态（如锁的持有次数、信号量的剩余许可数）。
CLH 队列	存储等待获取资源的线程（双向链表，每个节点封装线程和等待状态）。
Node 节点	封装线程的等待状态（如 `CANCELLED`、`SIGNAL`）和前后驱指针。

2. 核心方法

AQS 通过模板方法模式，要求子类实现以下关键方法：

tryAcquire(int)：尝试获取资源（独占模式）。
tryRelease(int)：尝试释放资源（独占模式）。
tryAcquireShared(int)：尝试获取资源（共享模式，如 Semaphore）。
tryReleaseShared(int)：尝试释放资源（共享模式）。

3. 资源获取流程（以 `ReentrantLock`独占锁为例）

线程尝试获取锁：
- 调用 lock() → 内部调用 AQS.acquire(1)子类实现。
- acquire() 先尝试 tryAcquire(1)（由子类实现，如 ReentrantLock 判断 state 是否为 0）。
  - 成功：线程获取锁，state 从 0 变为 1（直接获取资源（如锁））。
  - 失败：线程被封装为 Node 加入 CLH 队列尾部，并阻塞（通过 LockSupport.park()）。
锁释放与唤醒：
- 调用 unlock() → 内部调用 AQS.release(1)。
- release() 先尝试 tryRelease(1)（减少 state）子类实现。
  - 成功：唤醒队列中的下一个线程（unparkSuccessor()）。

4. CLH 队列工作原理

队列结构：双向链表，头节点（dummy node）不关联线程，后续节点为等待线程。
线程阻塞：通过 LockSupport.park() 挂起线程。
公平性：
- 公平锁：严格按照队列顺序唤醒。
- 非公平锁：新线程可插队尝试获取锁（通过 CAS 竞争 state）。

5. 共享模式（如 `Semaphore`）

与独占模式的区别：
- 多个线程可同时获取资源（state 表示剩余许可数）。
- 唤醒时会传播信号（doReleaseShared()），确保所有等待线程都能被唤醒。

二、AQS 的关键设计思想

模板方法模式：
- AQS 封装通用逻辑（如队列管理、线程阻塞/唤醒），子类只需实现资源获取/释放的具体逻辑。
CAS + volatile：
- 通过 Unsafe.compareAndSwapInt() 保证 state 的原子性更新。
- state 用 volatile 保证多线程可见性。
自旋优化：
- 线程在入队前会短暂自旋尝试获取锁，减少上下文切换开销。

三、AQS 的实际应用

ReentrantLock：通过 state 记录重入次数，非公平锁默认插队。
Semaphore：state 表示剩余许可数，共享模式唤醒多个线程。
CountDownLatch：state 初始化后递减，为 0 时唤醒所有等待线程。

四、为什么 AQS 是 JUC 的基石？

解耦同步器逻辑：将复杂的线程排队、阻塞/唤醒交给 AQS，开发者只需关注资源管理。
高性能：通过 CAS 和 CLH 队列减少锁竞争，避免内核态阻塞。

五、AQS 的潜在问题

尽管 AQS 是高效且灵活的同步框架，但在实际使用中可能遇到以下问题：

1. 复杂性过高

问题：AQS 的实现逻辑复杂（如 CLH 队列管理、状态流转），开发者在自定义同步器时需要深入理解其内部机制。
案例：错误实现 tryAcquire/tryRelease 方法可能导致死锁或资源泄漏。
建议：优先使用 JUC 提供的现成同步工具（如 ReentrantLock），避免直接继承 AQS。

2. 线程饥饿（非公平锁）

问题：非公平锁允许新线程插队，可能导致队列中的线程长期无法获取资源。
场景：高并发场景下，频繁的新线程插队会导致某些线程饥饿。
解决：若需严格公平性，使用公平锁（但会牺牲吞吐量）。

3. 性能开销（高竞争场景）

问题：在高并发场景下，频繁的 CAS 操作和线程阻塞/唤醒可能带来性能损耗。
原因：
- CAS 失败率高时，自旋重试会增加 CPU 开销。
- 线程切换（如 park()/unpark()）涉及内核态操作，成本较高。
优化：减少锁粒度、使用读写锁（ReentrantReadWriteLock）或无锁数据结构。

4. 内存泄漏风险

问题：CLH 队列中的 Node 对象可能因线程未正确释放资源而长期驻留内存。
场景：线程被中断或未调用 release() 时，Node 未被清理。
解决：始终在 finally 块中释放资源（如 lock.unlock()）。

5. 调试困难

问题：AQS 的线程阻塞和唤醒逻辑对开发者透明，调试死锁或资源竞争问题较困难。
工具：
- 使用 jstack 查看线程堆栈，定位阻塞线程。
- 结合 VisualVM 或 Arthas 分析锁竞争情况。

6. 扩展性问题

问题：AQS 的模板方法模式要求子类实现关键方法，若设计不当可能导致扩展性受限。
案例：自定义同步器时，若未正确处理 state 的共享模式，可能引发未定义行为。

六、AQS 的最佳实践

优先使用现有同步工具：如 ReentrantLock、Semaphore，避免重复造轮子。
严格释放资源：在 finally 块中调用 unlock() 或 release()。
合理选择公平性：非公平锁在大多数场景下性能更好。
监控资源竞争：通过工具（如 Prometheus + JMX）监控锁的等待时间和持有时间。

七、总结

AQS 是 JUC 的基石：提供了一套通用的线程同步框架，解耦资源管理与线程调度。
核心机制：state + CLH 队列 + CAS。
关键点：
- 独占模式（如锁）与共享模式（如信号量）的区别。
- 公平与非公平的实现差异。
- CAS 和 volatile 的协同作用。
潜在问题：复杂性、线程饥饿、性能开销、内存泄漏等，需结合场景权衡设计。