Java高频面试之并发编程-21

hello啊，各位观众姥爷们！！！本baby今天又来报道了！哈哈哈哈哈嗝🐶

面试官：详细说说AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包（java.util.concurrent.locks）的核心基础框架，用于构建锁和其他同步器（如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等）。它通过模板方法模式定义了一套多线程访问共享资源的同步机制，开发者只需继承 AQS 并实现特定方法，即可自定义同步器。

AQS 的核心设计思想

AQS 的核心是 “同步状态管理” + “线程排队机制”：

同步状态（state字段）：
通过一个 volatile int state 字段表示共享资源的状态（如锁是否被占用、信号量剩余许可数等）。
- 开发者需根据同步器的语义定义 state 的用途（例如：ReentrantLock 用 state 表示重入次数）。
CLH 队列（线程等待队列）：
采用 CLH 变体的双向链表队列，将未获取到资源的线程封装为 Node 节点并排队等待。
- CLH 队列的每个节点保存了前驱和后继节点的引用，以及线程的状态（如是否被取消）。
模板方法模式：
AQS 提供通用的排队和阻塞机制，开发者只需实现以下关键方法（需保证线程安全）：
- tryAcquire(int arg)：尝试以独占模式获取资源。
- tryRelease(int arg)：尝试释放独占模式的资源。
- tryAcquireShared(int arg)：尝试以共享模式获取资源。
- tryReleaseShared(int arg)：尝试释放共享模式的资源。
- isHeldExclusively()：判断当前线程是否独占资源。

AQS 的内部结构

state 字段
```
private volatile int state; // 核心状态变量
```
- 通过 getState(), setState(), compareAndSetState() 方法原子操作状态。

CLH 队列

// 队列头尾指针
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;// Node 节点结构（每个等待线程封装为一个 Node）
static final class Node {volatile int waitStatus;     // 等待状态（如 CANCELLED、SIGNAL）volatile Node prev;         // 前驱节点volatile Node next;         // 后继节点volatile Thread thread;     // 关联的线程Node nextWaiter;            // 条件队列的下一节点（用于 Condition）
}

两种模式
- 独占模式（Exclusive）：资源一次只能被一个线程占用（如 ReentrantLock）。
- 共享模式（Shared）：资源可被多个线程共享（如 Semaphore、CountDownLatch）。

AQS 的工作流程

1. 获取资源（以独占模式为例）

步骤：
1. 调用 acquire(int arg) 方法。
2. 先尝试 tryAcquire(arg)（需开发者实现），若成功则直接返回。
3. 若失败，将线程封装为 Node 加入 CLH 队列尾部，并通过 acquireQueued() 自旋或阻塞等待。
4. 在队列中等待的线程会不断检查前驱节点是否为头节点，若是则再次尝试获取资源。

关键代码逻辑：

public final void acquire(int arg) {if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt(); // 恢复中断状态
}

2. 释放资源

步骤：
1. 调用 release(int arg) 方法。
2. 先尝试 tryRelease(arg)（需开发者实现），若成功则唤醒队列中的后继节点。

关键代码逻辑：

public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h); // 唤醒后继节点的线程return true;}return false;
}

3. 中断与超时

AQS 支持可中断的获取资源（acquireInterruptibly()）和超时获取（tryAcquireNanos()）。
若线程在等待中被中断或超时，会移除对应的节点并抛出 InterruptedException。

AQS 的应用场景

ReentrantLock
- 通过实现 tryAcquire 和 tryRelease 方法，管理锁的重入计数（state 字段记录持有锁的线程和重入次数）。
Semaphore
- 使用 state 表示剩余许可数，tryAcquireShared 尝试获取许可，tryReleaseShared 释放许可。
CountDownLatch
- state 初始化为计数器值，await() 调用 acquireShared，countDown() 调用 releaseShared。
ReentrantReadWriteLock
- 将 state 的高 16 位用于读锁（共享模式），低 16 位用于写锁（独占模式）。

AQS 的设计优势

灵活性
开发者只需关注资源状态的管理（state 操作），无需处理线程排队、阻塞与唤醒等底层逻辑。
高效性
- CLH 队列的变体设计减少了锁竞争，通过自旋和 CAS 操作提升性能。
- 双向链表便于处理取消和超时的节点。
可扩展性
支持独占和共享模式，且可通过 Condition 实现更复杂的线程通信（如生产者-消费者模型）。

AQS 的关键源码技巧

自旋 + CAS
AQS 大量使用 CAS（Unsafe 类）和自旋操作，例如入队时通过 CAS 保证线程安全：

private Node enq(final Node node) {for (;;) { // 自旋直到成功Node t = tail;if (t == null) { // 队列为空，初始化头节点if (compareAndSetHead(new Node()))tail = head;} else {node.prev = t;if (compareAndSetTail(t, node)) {t.next = node;return t;}}}
}