AbstractQueuedSynchronizer（AQS）如何实现线程的排队与唤醒机制？

Question

在并发编程中，AbstractQueuedSynchronizer（AQS）如何实现线程的排队与唤醒机制？AQS是Java并发包中的核心组件，它通过CLH队列（一种双向队列）来管理线程的排队。当一个线程尝试获取锁失败时，AQS会将该线程封装成一个节点并加入队列尾部。队列中的线程处于等待状态，直到被前驱节点唤醒。唤醒机制依赖于volatile变量确保内存可见性，以及CAS操作保证线程安全。当持有锁的线程释放锁时，AQS会唤醒队列中下一个等待的线程，使其重新尝试获取锁。这种机制不仅高效地管理了线程的排队与唤醒，还最大限度减少了上下文切换带来的开销。这一过程具体涉及哪些关键方法和数据结构？如何保证线程的安全唤醒与公平性？

Answer 1

1. AQS基础概念与CLH队列

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是Java并发包的核心组件，用于构建锁和其他同步器的基础。AQS通过CLH队列（Craig, Landin, and Hagersten queue）来管理线程的排队。CLH队列是一种双向队列，每个节点代表一个等待获取锁的线程。

以下是AQS中涉及的关键数据结构：

• Node：表示队列中的节点，包含线程信息、状态标志以及前后指针。
• volatile int state：表示共享资源的状态，使用volatile确保内存可见性。
• private transient volatile Node head 和 private transient volatile Node tail：分别指向队列的头节点和尾节点。

2. 线程排队机制

当一个线程尝试获取锁失败时，AQS会将该线程封装成一个Node节点，并加入CLH队列的尾部。这一过程涉及以下关键方法：

1. acquire(int arg)：尝试获取锁，如果失败则调用addWaiter(Node mode)。
2. addWaiter(Node mode)：创建一个Node节点并将其加入队列。
3. enq(final Node node)：通过CAS操作将节点插入队列尾部。

以下是enq方法的伪代码示例：

    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // 队列为空时初始化
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }
    

3. 唤醒机制与线程安全

AQS的唤醒机制依赖于volatile变量和CAS操作，确保线程的安全性和高效性。当持有锁的线程释放锁时，AQS会唤醒队列中下一个等待的线程。具体流程如下：

• release(int arg)：尝试释放锁，成功后调用unparkSuccessor(Node node)。
• unparkSuccessor(Node node)：唤醒指定节点的后继节点。

以下是唤醒机制的流程图：

graph TD;
            A[线程释放锁] --> B{state是否满足条件};
            B -- 是 --> C[调用unparkSuccessor];
            C --> D{后继节点是否存在};
            D -- 是 --> E[唤醒后继节点];
            D -- 否 --> F[结束];

4. 公平性与非公平性

AQS支持两种模式：公平锁和非公平锁。公平锁按照线程进入队列的顺序依次获取锁，而非公平锁允许插队（即新线程可以直接尝试获取锁）。这种差异体现在tryAcquire方法的实现中：

模式	特点	适用场景
公平锁	严格按照FIFO顺序分配锁	对锁竞争激烈的场景更友好
非公平锁	允许插队，减少空转时间	对性能要求较高的场景更优