AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是 Java 并发包中绝大多数同步器（如 ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等）的基础框架。它的核心原理可以概括为：用 volatile 变量表示同步状态，配合一个 FIFO 的线程等待队列，通过 CAS 和 park/unpark 实现线程的阻塞与唤醒。

下面从几个关键部分说明其内部原理。

---

1. 同步状态：State

• AQS 内部维护一个 volatile int state，表示共享资源的状态。

• 子类通过重写以下方法来定义状态的获取与释放语义：

  • tryAcquire(int arg) / tryRelease(int arg) —— 独占模式

  • tryAcquireShared(int arg) / tryReleaseShared(int arg) —— 共享模式

  • isHeldExclusively() —— 是否被当前线程独占

• 操作 state 时使用 CAS（compareAndSetState）来保证原子性，避免使用重量级锁。

---

2. CLH 变体队列（同步队列）

AQS 内部维护一个 FIFO 的双向链表队列（基于 CLH 锁队列的变体），用于存放获取锁失败的线程。

节点结构（Node）

每个等待线程被封装为一个 Node，关键属性：

• thread：等待的线程。

• waitStatus：节点状态，核心值有：

  • CANCELLED(1)：节点因超时或中断被取消。

  • SIGNAL(-1)：后继节点需要被唤醒，当前节点释放锁时必须唤醒后继。

  • CONDITION(-2)：节点在条件队列中等待。

  • PROPAGATE(-3)：共享模式下，唤醒动作需要向后传播。

• prev / next：指向前驱和后继节点。

入队操作

• 线程获取锁失败时，用 CAS 自旋地将新节点插入队列尾部（enq 方法），保证线程安全。

出队和唤醒

• 队列的首节点（head）是当前持有锁的线程对应的节点。

• 头节点释放锁后，唤醒其后继节点（unparkSuccessor），被唤醒的线程会尝试再次获取锁，成功后将自身设为新的头节点。

---

3. 独占模式原理

以 ReentrantLock 的 lock() 为例，最终调用到 AQS 的 acquire(int arg)：

text

acquire(arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

• tryAcquire：子类实现，如尝试 CAS 将 state 从 0 改为 1。

• 失败后通过 addWaiter 将当前线程包装成独占节点，CAS 加入队列尾部。

• acquireQueued 中线程进入自旋（spin）逻辑：

  • 检查前驱是否是头节点，如果是则再次尝试 tryAcquire。

  • 如果不是头节点或尝试失败，则判断是否应挂起（shouldParkAfterFailedAcquire 会将前驱的 waitStatus 设为 SIGNAL，保证下次前驱释放时会唤醒自己），然后调用 LockSupport.park(this) 挂起线程。

• 线程被唤醒后会继续自旋，直到成功获取锁，并将自己设为头节点。

释放时调用 release(int arg)：

• tryRelease 修改 state。

• 成功后若头节点存在且 waitStatus 不为 0（比如为 SIGNAL），则调用 unparkSuccessor 唤醒后继节点。

---

4. 共享模式原理

acquireShared(int arg) 的逻辑类似，但能支持多个线程同时访问：

• 调用 tryAcquireShared 返回负值表示失败，加入共享节点。

• 在 doAcquireShared 中自旋，成功后调用 setHeadAndPropagate 将当前节点设为头节点，并在满足条件时连续唤醒后继共享节点，实现“传播”效应（例如 Semaphore 释放一个许可，可能同时唤醒多个等待线程）。

• 释放时 releaseShared 调用 tryReleaseShared，成功后通过 doReleaseShared 唤醒后继并继续传播。

---

5. 条件队列（ConditionObject）

AQS 内部的 ConditionObject 实现了 Condition 接口，原理是维护另一套条件等待队列（单向链表），与同步队列配合：

• await()：

  • 将当前线程封装为条件节点（waitStatus = CONDITION）加入条件队列尾部。

  • 完全释放同步状态（release），让出锁。

  • 挂起当前线程，直到被 signal 唤醒或中断。

• signal()：

  • 将条件队列中的首节点转移到同步队列尾部（transferForSignal），并设置前驱的 waitStatus 为 SIGNAL。

  • 这样，当锁被释放时，该线程就能在同步队列中被唤醒并重新竞争锁。

---

6. 设计特点总结

• 模板方法模式：AQS 搭好了整个排队、挂起、唤醒的框架，子类只需实现判断能否获取/释放的几个 try 方法，极大地简化了同步器的开发。

• 无锁化的队列操作：入队、修改 waitStatus 等全部基于 CAS + 自旋，避免对队列的操作加全局锁，性能极高。

• 高效的阻塞与唤醒：利用 LockSupport.park/unpark 进行精准的线程挂起和唤醒，比 wait/notify 更轻量且无需在同步块内使用。

• 公平性支持：AQS 本身不强制公平，公平锁的实现是在 tryAcquire 时调用 hasQueuedPredecessors() 判断是否有前驱等待节点。

简而言之，AQS 的原理就是：用 int state 表示资源，获取不到资源的线程加入 CLH 变体的 FIFO 队列，通过 CAS 保证原子变更，并通过 park/unpark 实现高效阻塞和唤醒。子类只需定义资源的获取与释放逻辑，就能快速构建出功能完备的同步组件。