aqs 的核心原理是基于模板方法模式，通过维护 volatile int state 变量和 fifo 队列实现同步机制。1. 它定义了 tryacquire 和 tryrelease 等抽象方法供子类实现；2. 使用 clh 队列管理等待线程，acquire() 和 release() 控制锁的获取与释放；3. 支持独占与共享两种模式，分别适用于 reentrantlock 和 semaphore 等场景；4. condition 对象用于线程等待与通知，提升条件阻塞控制能力；5. 性能优化可通过减少 cas 竞争、降低线程阻塞唤醒开销及优化队列操作实现。开发者继承 aqs 并实现其核心方法即可构建自定义同步组件。
AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 是 Java 并发包 java.util.concurrent 的核心基石。它提供了一个构建锁和同步器的框架，简化了锁的实现。简单来说，它通过维护一个 volatile int state 变量和一个 FIFO 队列来管理并发状态，并提供了一套原子性操作 state 变量的方法。
AQS 的核心原理是基于模板方法模式。它定义了同步器需要实现的抽象方法，例如 tryAcquire (尝试获取锁) 和 tryRelease (尝试释放锁)。开发者只需要继承 AQS 并实现这些方法，就可以构建自定义的同步组件。
解决方案
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AQS 的运作可以分解为以下几个关键步骤：
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状态管理： AQS 维护一个 volatile int state 变量，代表同步状态。getState()、setState() 和 compareAndSetState() 方法提供了对状态的原子性操作。
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CLH 队列： AQS 使用一个 FIFO 队列 (CLH 队列的变体) 来管理等待获取锁的线程。当一个线程尝试获取锁失败时，它会被加入到队列的尾部，并进入阻塞状态。
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获取锁： 线程调用 acquire(int arg) 方法尝试获取锁。acquire() 方法会调用 tryAcquire(int arg) 方法，该方法由子类实现，用于尝试获取锁。如果 tryAcquire() 成功，则 acquire() 方法返回；否则，线程会被加入到 CLH 队列中，并阻塞等待。
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释放锁： 线程调用 release(int arg) 方法释放锁。release() 方法会调用 tryRelease(int arg) 方法，该方法由子类实现，用于尝试释放锁。如果 tryRelease() 成功，则 release() 方法会唤醒 CLH 队列中的下一个线程。
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独占模式和共享模式： AQS 支持独占模式和共享模式。独占模式下，只有一个线程可以获取锁；共享模式下，多个线程可以同时获取锁。acquire() 和 release() 方法用于独占模式，acquireShared() 和 releaseShared() 方法用于共享模式。
AQS 的代码实现细节相当复杂，涉及到 CAS 操作、线程阻塞/唤醒等底层机制。理解这些细节有助于更深入地掌握 AQS 的原理。
自定义同步组件，需要继承 AQS，并重写以下方法：
- tryAcquire(int arg)：独占模式下尝试获取锁。
- tryRelease(int arg)：独占模式下尝试释放锁。
- tryAcquireShared(int arg)：共享模式下尝试获取锁。
- tryReleaseShared(int arg)：共享模式下尝试释放锁。
- isHeldExclusively()：当前同步器是否在独占模式下被线程占用。
如何选择合适的同步模式：独占还是共享？
选择独占模式还是共享模式取决于你的同步组件的用途。如果你的组件需要保证同一时刻只有一个线程可以访问共享资源，那么应该选择独占模式。例如，ReentrantLock 就是一个独占锁。如果你的组件允许多个线程同时访问共享资源，那么应该选择共享模式。例如，Semaphore 和 CountDownLatch 就是共享同步器。
例如，你想实现一个简单的读写锁，读锁是共享的，写锁是独占的。那么你可以基于 AQS 实现一个 ReadWriteLock 类，其中读锁使用 tryAcquireShared() 和 tryReleaseShared()，写锁使用 tryAcquire() 和 tryRelease()。
import java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer; public class ReadWriteLock { private final Sync sync = new Sync(); public void readLock() { sync.acquireShared(1); } public void readUnlock() { sync.releaseShared(1); } public void writeLock() { sync.acquire(1); } public void writeUnlock() { sync.release(1); } private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { @Override protected int tryAcquireShared(int acquires) { // 实现读锁的获取逻辑 return super.tryAcquireShared(acquires); } @Override protected boolean tryReleaseShared(int releases) { // 实现读锁的释放逻辑 return super.tryReleaseShared(releases); } @Override protected boolean tryAcquire(int acquires) { // 实现写锁的获取逻辑 return super.tryAcquire(acquires); } @Override protected boolean tryRelease(int releases) { // 实现写锁的释放逻辑 return super.tryRelease(releases); } } }
上面的代码只是一个框架，你需要填充 tryAcquireShared、tryReleaseShared、tryAcquire 和 tryRelease 方法的具体实现。这涉及到维护读写状态，以及处理并发竞争。
AQS 中的 Condition 对象有什么作用？
Condition 对象是 AQS 的一个重要组成部分，它提供了一种线程等待/通知机制，类似于 Object.wait() 和 Object.notify() 方法。Condition 对象允许线程在获取锁之后，因为某些条件不满足而进入等待状态，并在条件满足时被唤醒。
每个 Condition 对象都关联着一个等待队列。当线程调用 Condition.await() 方法时，它会被加入到等待队列中，并释放持有的锁。当其他线程调用 Condition.signal() 或 Condition.signalAll() 方法时，等待队列中的线程会被唤醒，并尝试重新获取锁。
例如，在生产者-消费者模型中，可以使用 Condition 对象来实现缓冲区为空时消费者等待，缓冲区满时生产者等待的逻辑。
import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class BoundedBuffer { final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); final Condition notFull = lock.newCondition(); final Condition notEmpty = lock.newCondition(); final Object[] items = new Object[100]; int putptr, takeptr, count; public void put(Object x) throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == items.length) notFull.await(); items[putptr] = x; if (++putptr == items.length) putptr = 0; ++count; notEmpty.signal(); } finally { lock.unlock(); } } public Object take() throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); Object x = items[takeptr]; if (++takeptr == items.length) takeptr = 0; --count; notFull.signal(); return x; } finally { lock.unlock(); } } }
在这个例子中，notFull 和 notEmpty 两个 Condition 对象分别用于控制生产者和消费者的等待和唤醒。
AQS 的性能瓶颈及优化策略
AQS 虽然强大，但并非完美。在高并发场景下，AQS 的性能可能会成为瓶颈。
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CAS 竞争： AQS 依赖于 CAS 操作来更新 state 变量。在高并发场景下，CAS 竞争可能会非常激烈，导致大量的重试，降低性能。
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线程阻塞/唤醒： 线程的阻塞和唤醒涉及到用户态和内核态的切换，开销较大。频繁的线程阻塞/唤醒会影响性能。
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队列操作： AQS 使用 CLH 队列来管理等待线程。队列的操作，例如入队和出队，也需要一定的开销。
针对这些瓶颈，可以采取以下优化策略：
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减少线程阻塞/唤醒： 可以通过使用自旋锁或者使用 CompletableFuture 等异步编程技术来减少线程阻塞/唤醒。
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优化队列操作： 可以通过使用更高效的队列数据结构，或者使用批量操作来优化队列操作。
例如，Java 8 中引入的 StampedLock 就是一种优化的读写锁，它使用了乐观读和 CAS 操作来减少锁的竞争，从而提高性能。
