【Java面试笔记：实战】41、Java面试核心考点！AQS原理及应用生态全解析-EW帮帮网

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引言：AQS在Java并发体系中的核心地位

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）作为Java并发包的底层基石，是理解ReentrantLock、Semaphore等同步工具的关键。

在Java架构师面试中，AQS的原理与应用是高频考点，掌握其核心机制对理解JUC包和构建高并发系统至关重要。

本文将从原理、应用、源码到Spring生态实践进行全面解析，帮助读者系统掌握这一核心技术。

一、AQS核心原理深度剖析

1.1 AQS的架构设计与核心组件

AQS是Java并发包中用于构建锁和同步器的抽象框架，其设计包含三大核心组件：

1.1.1 三大核心组件详解

组件名称	技术实现	核心作用
状态变量state	volatile int，通过CAS操作更新	存储同步状态，不同场景含义不同（如锁重入次数、信号量许可数等）
CLH等待队列	双向链表，由Node节点组成	管理等待线程的FIFO顺序，实现线程阻塞与唤醒机制
模板方法	抽象方法需子类实现	定义同步逻辑接口（如tryAcquire、tryRelease等），实现模板方法模式

1.1.2 Node节点核心字段解析

static final class Node {
   
    // 节点状态：CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)、PROPAGATE(-3)
    volatile int waitStatus;
    // 前驱节点引用
    volatile Node prev;
    // 后继节点引用
    volatile Node next;
    // 关联的线程
    volatile Thread thread;
    // 条件队列中的后继节点
    Node nextWaiter;
}

1.1.3 CLH队列结构示意图

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CLH队列关键特性说明

双向链表结构：
- 每个节点包含 prev 和 next 指针
- 头节点(Head)的prev为null
- 尾节点(Tail)的next为null

节点内部结构：

static final class Node {
     
    volatile int waitStatus;  // 等待状态
    volatile Node prev;       // 前驱节点
    volatile Node next;       // 后继节点
    volatile Thread thread;   // 关联线程
    Node nextWaiter;          // 条件队列链接
}

等待状态(waitStatus)：
- SIGNAL(-1)：后继节点需要唤醒
- CANCELLED(1)：线程已取消
- CONDITION(-2)：在条件队列中
- 0：初始状态

队列操作：

入队：尾插法（CAS更新Tail）

// AQS中的入队代码
private Node addWaiter(Node mode) {
       
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
    Node pred = tail;
    if (pred != null) {
       
        node.prev = pred;
        if (compareAndSetTail(pred, node)) {
       
            pred.next = node;
            return node;
        }
    }
    enq(node); // CAS失败时自旋入队
    return node;
}

出队：头节点释放后唤醒后继

// 唤醒后继节点
private void unparkSuccessor(Node node) {
       
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
       
        s = null;
        // 从尾向前查找有效节点
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0) s = t;
    }
    if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread);
}

1.2 AQS工作流程详解（独占模式）

1.2.1 核心执行流程

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1.2.2 关键机制解析

CAS无锁操作：

// AQS更新state的核心方法
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
     
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

通过Unsafe类直接操作内存，确保原子性
stateOffset通过objectFieldOffset获取字段偏移量

线程阻塞与唤醒：
- 阻塞：LockSupport.park(this)
- 唤醒：LockSupport.unpark(thread)
- 基于Unsafe的park/unpark，比Object.wait/notify更高效
队列管理：
- 入队：CAS尾插法，保证线程安全
- 出队：头节点释放后，将后继节点设为新头节点

二、AQS的同步模式与核心方法

2.1 独占模式（Exclusive Mode）

2.1.1 核心特性

同一时刻仅允许一个线程获取资源
典型实现：ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock.WriteLock
关键方法：
- acquire(int arg)：获取资源，失败则入队等待
- release(int arg)：释放资源，唤醒后继节点

2.1.2 状态流转图

2.2 共享模式（Shared Mode）

2.2.1 核心特性

允许多个线程同时获取资源
典型实现：Semaphore、CountDownLatch、ReentrantReadWriteLock.ReadLock
关键方法：
- acquireShared(int arg)：获取共享资源，失败入队
- releaseShared(int arg)：释放共享资源，可能唤醒后继

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