深入解析AQS：设计模式、ReentrantLock实现与自定义锁开发
一、模板方法模式：AQS的架构基石
1.1 模式核心思想
模板方法模式通过固定算法骨架+可变实现细节的设计，实现了代码复用与扩展性的平衡。AQS采用这种模式，将同步器的核心流程（如线程排队、阻塞唤醒）固化在父类，仅将资源获取/释放的逻辑通过抽象方法交给子类实现。
设计优势：
- 保证正确性：关键同步流程不可修改
- 提高复用：通用逻辑只需实现一次
- 便于扩展：子类只需关注业务逻辑
1.2 完整代码示例
// 模板类定义 abstract class BeverageMaker { // 模板方法（final防止重写） public final void makeBeverage() { boilWater(); brew(); pourInCup(); if (customerWantsCondiments()) { addCondiments(); } } // 具体方法（通用步骤） private void boilWater() { System.out.println("煮沸水"); } private void pourInCup() { System.out.println("倒入杯中"); } // 抽象方法（子类必须实现） protected abstract void brew(); protected abstract void addCondiments(); // 钩子方法（子类可选覆盖） protected boolean customerWantsCondiments() { return true; } } // 具体实现类 class TeaMaker extends BeverageMaker { @Override protected void brew() { System.out.println("浸泡茶叶5分钟"); } @Override protected void addCondiments() { System.out.println("加入柠檬片"); } @Override protected boolean customerWantsCondiments() { return false; // 茶不需要调料 } } 关键点说明：
makeBeverage()定义了不可变的制作流程brew()和addCondiments()是可变部分，由子类实现customerWantsCondiments()是钩子方法，提供策略扩展点
1.3 AQS中的模板模式实现
AQS将同步操作抽象为模板方法：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer { // 获取资源的模板方法 public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && // 尝试获取（子类实现） acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } // 由子类实现的获取逻辑 protected boolean tryAcquire(int arg) { throw new UnsupportedOperationException(); } // 已实现的通用方法 private Node addWaiter(Node mode) { // 实现节点入队逻辑... } final boolean acquireQueued(Node node, int arg) { // 实现队列中获取资源的逻辑... } } 设计精妙之处：
acquire()封装了完整的获取资源流程- 子类只需关注
tryAcquire的核心逻辑 - 线程排队、阻塞唤醒等复杂操作由AQS统一处理
二、ReentrantLock与AQS的深度整合
2.1 整体架构设计
ReentrantLock通过内部类继承AQS，实现锁的核心功能：
classDiagram class ReentrantLock { -Sync sync +lock() +unlock() } class Sync { <<abstract>> +nonfairTryAcquire() +tryRelease() } class NonfairSync { +lock() +tryAcquire() } class FairSync { +tryAcquire() } ReentrantLock --> Sync Sync <|-- NonfairSync Sync <|-- FairSync Sync --> AQS
2.2 关键源码解析
非公平锁实现：
static final class NonfairSync extends Sync { // 非公平获取锁 final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) // 先尝试快速获取 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); // 进入AQS排队流程 } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { return nonfairTryAcquire(acquires); } } // Sync中的通用非公平尝试 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { // 锁未被持有 if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 重入逻辑 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } 实现特点：
- 快速路径：先直接尝试CAS获取锁，避免排队开销
- 重入支持：通过检查当前线程和状态计数实现
- 非公平性：新请求线程可能插队获取锁
公平锁实现差异：
static final class FairSync extends Sync { protected final boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (!hasQueuedPredecessors() && // 关键区别：检查队列 compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } // 重入逻辑与非公平锁相同... } } 公平性保证：
hasQueuedPredecessors()检查是否有更早等待的线程- 严格按照CLH队列顺序获取锁
- 吞吐量通常低于非公平锁，但避免线程饥饿
2.3 状态管理机制
AQS使用volatile int state字段记录同步状态，ReentrantLock中表示：
- 0：锁未被任何线程持有
- >0：锁被持有，数值表示重入次数
配套原子操作方法：
protected final int getState() { return state; } protected final void setState(int newState) { state = newState; } protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } 三、基于AQS实现自定义锁
3.1 完整自定义锁实现
import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.Lock; /** * 基于AQS的简单互斥锁（不可重入） */ public class SimpleMutexLock implements Lock { private final Sync sync = new Sync(); // 内部同步器 private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 尝试获取锁 @Override protected boolean tryAcquire(int acquires) { if (acquires != 1) throw new IllegalArgumentException(); if (compareAndSetState(0, 1)) { // CAS保证原子性 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); return true; } return false; } // 尝试释放锁 @Override protected boolean tryRelease(int releases) { if (releases != 1) throw new IllegalArgumentException(); if (getState() == 0) throw new IllegalMonitorStateException(); setExclusiveOwnerThread(null); setState(0); // 不需要CAS，只有持有线程能调用 return true; } // 是否被当前线程独占 @Override protected boolean isHeldExclusively() { return getState() == 1; } // 创建条件变量 Condition newCondition() { return new ConditionObject(); } } // ========== Lock接口实现 ========== @Override public void lock() { sync.acquire(1); } @Override public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { sync.acquireInterruptibly(1); } @Override public boolean tryLock() { return sync.tryAcquire(1); } @Override public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time)); } @Override public void unlock() { sync.release(1); } @Override public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); } // ========== 扩展方法 ========== public boolean isLocked() { return sync.isHeldExclusively(); } public boolean hasQueuedThreads() { return sync.hasQueuedThreads(); } } 实现要点：
- 状态定义：0表示未锁定，1表示锁定
- 不可重入：不检查当前线程是否已持有锁
- 条件变量：直接复用AQS的ConditionObject
- 线程安全：CAS操作保证
tryAcquire的原子性
3.2 可重入锁改造
修改Sync内部类即可实现可重入：
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { @Override protected boolean tryAcquire(int acquires) { final Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); if (c == 0) { if (compareAndSetState(0, acquires)) { setExclusiveOwnerThread(current); return true; } } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) { // 重入判断 int nextc = c + acquires; if (nextc < 0) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); setState(nextc); return true; } return false; } @Override protected boolean tryRelease(int releases) { int c = getState() - releases; if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) throw new IllegalMonitorStateException(); boolean free = false; if (c == 0) { // 完全释放 free = true; setExclusiveOwnerThread(null); } setState(c); return free; } } 关键修改点：
- 增加当前线程检查实现重入
- 通过状态计数记录重入次数
- 只有计数归零时才完全释放锁
3.3 完整测试用例
public class SimpleMutexLockTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 基础功能测试 testBasicOperation(); // 并发安全测试 testConcurrentAccess(); // 不可重入性测试 testNonReentrant(); } private static void testBasicOperation() { SimpleMutexLock lock = new SimpleMutexLock(); assert !lock.isLocked() : "初始状态应该未锁定"; lock.lock(); try { assert lock.isLocked() : "锁定后状态应该为true"; assert !lock.tryLock() : "不可重入锁应获取失败"; } finally { lock.unlock(); } } private static void testConcurrentAccess() throws InterruptedException { final int THREADS = 5; final SimpleMutexLock lock = new SimpleMutexLock(); final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(); final CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1); final CountDownLatch endLatch = new CountDownLatch(THREADS); ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(THREADS); for (int i = 0; i < THREADS; i++) { executor.execute(() -> { try { startLatch.await(); lock.lock(); try { counter.incrementAndGet(); Thread.sleep(100); // 模拟操作 } finally { lock.unlock(); endLatch.countDown(); } } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } }); } startLatch.countDown(); endLatch.await(); assert counter.get() == THREADS : "所有线程应该都执行了"; executor.shutdown(); } private static void testNonReentrant() { SimpleMutexLock lock = new SimpleMutexLock(); lock.lock(); try { // 会阻塞在这里，因为是不可重入锁 boolean acquired = lock.tryLock(); assert !acquired : "不可重入锁不应再次获取成功"; } finally { lock.unlock(); } } } 四、核心知识总结
4.1 模板方法模式在AQS中的应用
-
固定流程：
acquire()/release()定义了标准的获取/释放资源流程- 包含线程排队、阻塞唤醒等通用逻辑
-
可变部分：
tryAcquire()/tryRelease()由子类实现- 决定如何获取和释放资源
-
设计优势：
- 保证同步行为的正确性
- 提高代码复用率
- 支持多种同步策略
4.2 ReentrantLock实现要点
| 特性 | 非公平锁 | 公平锁 |
|---|---|---|
| 获取顺序 | 允许插队 | 严格FIFO |
| 吞吐量 | 高 | 较低 |
| 实现关键 | 直接尝试CAS | 先检查队列 |
| 适用场景 | 大多数情况 | 避免饥饿 |
4.3 自定义锁开发原则
- 明确状态语义：定义state字段的含义
- 保证线程安全：CAS操作保护关键状态
- 合理选择特性：根据需求决定是否支持重入、公平性等
- 充分测试：验证并发场景下的正确性
结语
通过本文的系统讲解，我们完成了从设计模式理论到AQS框架分析，再到具体锁实现的完整学习路径。理解这些内容后，开发者可以：
- 更深入地理解Java并发包的设计思想
- 根据特殊需求实现自定义同步器
- 更好地选择和使用Java提供的并发工具
建议读者结合文中的代码示例进行实践，通过修改和调试加深对AQS工作机制的理解。对于生产环境，除非有特殊需求，否则应优先使用Java标准库提供的并发工具。
