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Java面试——AQS抽象队列同步器的设计思想

煙雲

煙雲

发布时间:2026-02-19 09:29:54

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来源于php中文网

原创

aqs用volatile int state而非atomicinteger,因其需轻量级happens-before保证且cas由unsafe直接操作更高效;acquire负责排队与恢复,tryacquire由子类实现具体获取逻辑;clh为逻辑队列,靠前驱通知而非自旋;conditionobject另起单向等待队列以隔离条件等待与锁竞争语义。

java面试——aqs抽象队列同步器的设计思想

为什么 AQS 用 volatile int state 而不是 AtomicInteger

因为 state 的读写必须和内存可见性、重排序约束强绑定,而 volatile 恰好提供最轻量的 happens-before 保证;AtomicInteger 多了一层方法调用和对象封装,在 AQS 的核心路径(如 compareAndSetState)中会引入无谓开销。AQS 自己用 Unsafe.compareAndSwapInt 实现 CAS,直接操作 volatile 字段更高效。

常见误判:以为 “原子类更安全”,其实 AQS 的线程安全不靠原子类,而靠状态机 + CAS + 队列协作。用 AtomicInteger 反而会让子类难以复写 getState/setState 等模板方法。

acquiretryAcquire 的分工边界在哪

acquire 是 AQS 提供的顶层模板方法,负责公共逻辑:先调用 tryAcquire 尝试获取锁;失败则入队、挂起、等待唤醒;被唤醒后再次尝试。它不关心“怎么判是否能获取”,只管“怎么排队和恢复”。

tryAcquire 必须由子类实现,决定具体语义:

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  • 对于 ReentrantLock.NonfairSync:直接 CAS 修改 state,不检查队列是否为空
  • 对于 ReentrantLock.FairSync:先检查 hasQueuedPredecessors(),再 CAS
  • 对于 Semaphore:判断剩余许可数是否足够

容易踩的坑:tryAcquire 返回 false 后,AQS 会无条件把当前线程包装成 Node 加入同步队列——如果你在 tryAcquire 里做了阻塞或重试,就破坏了 AQS 的协作契约。

CLH 队列为什么是「逻辑上的」而不是真实链表

AQS 的队列叫 CLH(Craig, Landin, and Hagersten),但它不是标准 CLH:真实节点只有 prevnext,没有自旋字段;等待逻辑靠 LockSupport.park() 实现,而非自旋。所以它是“CLH 思想的变种”——用前驱节点的状态通知后继,但不自旋。

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关键设计点:

  • 入队时只设置 prevnext 由前驱节点在唤醒后置(避免并发写 next 冲突)
  • 每个节点的 waitStatus 初始为 0,被前驱设为 SIGNAL 后才可安全挂起
  • 取消节点(CANCELLED)会被前驱跳过,形成“逻辑断连”,物理指针仍存在

这导致一个常见困惑:打印队列时看到 next == null,不等于节点不在队列里——它可能只是还没被前驱链接上。

为什么 ConditionObject 要另起一套等待队列

因为 await() 不是释放锁后“重新竞争”,而是释放锁 + 进入条件等待 + 被 signal() 唤醒后重新竞争同步状态。如果复用 AQS 同步队列,就会混淆“因锁竞争阻塞”和“因条件不满足阻塞”两种语义。

ConditionObject 的等待队列是单向链表(firstWaiter / lastWaiter),节点类型也是 Node,但 waitStatus == Node.CONDITION,且不参与 AQS 的 acquire 流程。

关键转换点:

  • await():先完全释放锁(可能多次 setState),再把自己加入条件队列,最后调用 LockSupport.park()
  • signal():把条件队列头节点移到 AQS 同步队列尾部,并设 waitStatus = 0,触发后续竞争

这里最容易忽略的是:一个 Condition 对应一个等待队列,但多个 Condition 共享同一个 AQS 同步队列——所以 signalAll() 是把整个条件队列迁移过去,不是广播。

// 示例:ReentrantLock 中 fair tryAcquire 的简化逻辑
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        // 公平模式下,必须确保前面没人排队
        if (!hasQueuedPredecessors() &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}
AQS 的精妙不在代码多复杂,而在所有状态变更都收敛到几个原子操作(stateheadtailwaitStatus)和两套队列的职责隔离上。真正难 debug 的,永远是条件队列和同步队列之间的状态迁移时机,以及 waitStatus 在各种取消/中断场景下的跃迁路径。

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