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在Java并发编程中，同步器（Synchronizer）是一个非常重要的概念。Java提供了多种同步工具，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等，这些工具的背后都依赖于一个共同的框架——AbstractQueuedSynchronizer（简称AQS）。AQS是Java并发包中的核心组件，它提供了一种通用的机制来实现同步器。本文将深入探讨AQS的实现原理，帮助读者更好地理解Java并发编程中的同步机制。
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包中的一个抽象类，它为实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的同步器提供了一个框架。AQS的核心思想是通过一个int类型的同步状态（state）来表示资源的可用性，并通过一个双向链表（CLH队列）来管理等待获取资源的线程。
AQS提供了两种同步模式：独占模式（Exclusive Mode）和共享模式（Shared Mode）。独占模式是指同一时刻只有一个线程可以获取资源，而共享模式则允许多个线程同时获取资源。
AQS的核心数据结构包括以下几个部分：
同步状态（state）：一个int类型的变量，用于表示资源的可用性。AQS通过getState()、setState(int)和compareAndSetState(int, int)等方法来操作同步状态。
同步队列（CLH队列）：一个双向链表，用于管理等待获取资源的线程。AQS通过Node类来表示队列中的节点，每个节点包含一个线程引用、等待状态（waitStatus）以及前驱和后继节点的引用。
条件队列：AQS还支持条件变量（Condition），条件队列用于管理等待特定条件的线程。条件队列也是一个双向链表，但与同步队列不同的是，条件队列中的节点在条件满足时会被转移到同步队列中。
AQS的同步状态是一个int类型的变量，用于表示资源的可用性。同步状态的具体含义由子类定义，AQS本身并不关心状态的具体含义，只提供了一些基本操作来管理状态。
AQS提供了以下方法来操作同步状态：
getState()：获取当前的同步状态。setState(int newState)：设置同步状态为指定的值。compareAndSetState(int expect, int update)：使用CAS操作来原子地更新同步状态。通过这些方法，子类可以实现自定义的同步逻辑。例如，ReentrantLock使用同步状态来表示锁的持有次数，Semaphore使用同步状态来表示可用的许可数。
AQS的同步队列是一个基于CLH锁的变种，它是一个双向链表，用于管理等待获取资源的线程。同步队列中的每个节点都是一个Node对象，Node类的主要字段包括：
thread：等待获取资源的线程。waitStatus：节点的等待状态，可能的取值包括CANCELLED、SIGNAL、CONDITION、PROPAGATE等。prev：前驱节点的引用。next：后继节点的引用。AQS通过enq(Node)方法将节点插入到同步队列的尾部，并通过acquireQueued(Node, int)方法让线程在队列中等待获取资源。
AQS的独占模式是指同一时刻只有一个线程可以获取资源。独占模式的典型应用是ReentrantLock。在独占模式下，AQS提供了以下方法来管理资源的获取和释放：
tryAcquire(int)：尝试获取资源，成功返回true，失败返回false。子类需要实现该方法。acquire(int)：获取资源，如果资源不可用，则当前线程进入等待状态，直到资源可用。tryRelease(int)：尝试释放资源，成功返回true，失败返回false。子类需要实现该方法。release(int)：释放资源，并唤醒等待队列中的下一个线程。在独占模式下，AQS通过acquire(int)方法来实现资源的获取。acquire(int)方法首先调用tryAcquire(int)尝试获取资源，如果失败，则将当前线程包装成Node节点并插入到同步队列中，然后通过acquireQueued(Node, int)方法让线程在队列中等待。
AQS的共享模式是指同一时刻允许多个线程同时获取资源。共享模式的典型应用是Semaphore和CountDownLatch。在共享模式下，AQS提供了以下方法来管理资源的获取和释放：
tryAcquireShared(int)：尝试获取资源，返回剩余的资源数。子类需要实现该方法。acquireShared(int)：获取资源，如果资源不可用，则当前线程进入等待状态，直到资源可用。tryReleaseShared(int)：尝试释放资源，成功返回true，失败返回false。子类需要实现该方法。releaseShared(int)：释放资源，并唤醒等待队列中的线程。在共享模式下，AQS通过acquireShared(int)方法来实现资源的获取。acquireShared(int)方法首先调用tryAcquireShared(int)尝试获取资源，如果失败，则将当前线程包装成Node节点并插入到同步队列中，然后通过doAcquireShared(int)方法让线程在队列中等待。
AQS还支持条件变量（Condition），条件队列用于管理等待特定条件的线程。条件队列也是一个双向链表，但与同步队列不同的是，条件队列中的节点在条件满足时会被转移到同步队列中。
AQS提供了以下方法来管理条件队列：
await()：当前线程进入等待状态，直到被唤醒或中断。signal()：唤醒条件队列中的一个线程。signalAll()：唤醒条件队列中的所有线程。在条件队列中，AQS通过addConditionWaiter()方法将当前线程包装成Node节点并插入到条件队列中，然后通过fullyRelease(Node)方法释放当前线程持有的资源，并让线程进入等待状态。
AQS的实现细节非常复杂，涉及到大量的CAS操作和线程状态的切换。以下是AQS的一些关键实现细节：
CAS操作：AQS大量使用了CAS（Compare-And-Swap）操作来保证线程安全。例如，compareAndSetState(int, int)方法使用CAS操作来原子地更新同步状态。
自旋与阻塞：AQS在实现线程等待时，采用了自旋与阻塞相结合的策略。线程在进入等待状态之前会先进行一定次数的自旋，以减少上下文切换的开销。
中断处理：AQS在处理线程中断时，会根据中断状态来决定是否唤醒线程。如果线程在等待过程中被中断，AQS会将其从等待队列中移除，并抛出InterruptedException。
公平性与非公平性：AQS支持公平性和非公平性两种模式。在公平模式下，线程按照FIFO的顺序获取资源；在非公平模式下，线程可以插队获取资源。
AQS在Java并发包中有广泛的应用，以下是一些典型的应用场景：
ReentrantLock：ReentrantLock是基于AQS实现的独占锁，支持重入和公平性选择。
Semaphore：Semaphore是基于AQS实现的信号量，用于控制同时访问资源的线程数。
CountDownLatch：CountDownLatch是基于AQS实现的倒计时门闩，用于等待一组线程完成任务。
CyclicBarrier：CyclicBarrier是基于AQS实现的循环屏障，用于让一组线程相互等待，直到所有线程都到达某个屏障点。
ReentrantReadWriteLock：ReentrantReadWriteLock是基于AQS实现的读写锁，支持读锁和写锁的分离。
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是Java并发包中的核心组件，它为实现依赖于先进先出（FIFO）等待队列的同步器提供了一个通用的框架。AQS通过同步状态、同步队列和条件队列等核心数据结构，支持独占模式和共享模式两种同步方式。AQS在Java并发包中有广泛的应用，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。虽然AQS的实现非常复杂，但它提供了高效、灵活和可扩展的同步机制，是Java并发编程中不可或缺的工具。
通过本文的深入探讨，相信读者对AQS的实现原理有了更深入的理解。在实际开发中，合理使用AQS可以帮助我们构建高效、可靠的并发程序。
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