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Java并发核心：你以为AQS很复杂？无非是“两个队列“和“一个状态“

news 2026/3/27 1:27:51

前言

上周面试，面试官问我：“你能说说 Java 的AQS基于管程是如何实现的吗？” 我当时只背了概念，结果当场翻车。回来后我花了 3 天，把 AQS源码啃了一遍，整理出这篇能直接拿去面试的笔记。

1、什么是管程

管程是基于MESA模型实现的，管程中引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。

模型如下图所示：

⚠️提醒
✔️入口等待队列：多线程进入的时排队，只允许一个线程进入管程内部，其他线程等待
✔️条件变量和等待队列：解决线程同步的问题

2、Java 中管程（Monitor）的实现

其一是基于Object监视器（Monitor）机制的内置synchronized同步；
其二是基于抽象队列同步器（AQS）构建的java.util.concurrent.locks.Lock显式锁机制。

一、AQS原理分析

1、什么是AQS

java.util.concurrent 包中的同步器大多构建在一些共同的基础行为之上，例如等待队列、条件队列、独占获取与共享获取等。这些行为被抽象为一个统一的框架——AbstractQueuedSynchronizer（简称 AQS）。

AQS 是一个用于实现依赖状态型同步器的抽象同步框架，为构建各种同步机制提供了基础支持。

2、AQS实现方式

一般是通过一个内部类Sync继承 AQS
将同步器所有调用都映射到Sync对应的方法

2.1、举个例子🌰🌰（ReentrantLock）

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 7373984872572414699L; ...... private final Sync sync; abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {} ...... }

3、AQS具备的特性

阻塞等待队列
共享/独占
公平/非公平
可重入
允许中断

二、AQS核心结构

1、AQS核心源码

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { static { try { stateOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state")); headOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("head")); tailOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("tail")); waitStatusOffset = unsafe.objectFieldOffset (Node.class.getDeclaredField("waitStatus")); nextOffset = unsafe.objectFieldOffset (Node.class.getDeclaredField("next")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } ..... //链表头节点 private transient volatile Node head; // 链表尾节点 private transient volatile Node tail; //共享变量，使用volatile修饰保证线程可见性 private volatile int state; //获取状态 protected final int getState() { return state; } //设置状态 protected final void setState(int newState) { state = newState; } //CAS操作：将同步状态值设置为给定值update如果当前同步状态的值等于expect（期望值） //stateOffset：就是定义的state值 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { // See below for intrinsics setup to support this return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); } ..... }

⚠️AQS 的关键实现基于以下两点核心机制:
✔️关键字段的可见性
在 AQS 源码中，用于表示同步状态的state、以及等待队列的头尾指针head和tail均被声明为volatile，确保这些状态在多线程之间的立即可见性。
✔️基于 CAS 的无锁竞争设计
获取锁的核心逻辑依赖于对state字段的CAS（Compare-And-Swap）操作，通过这一原子性操作实现无锁化的线程竞争与状态更新，从而避免传统锁机制带来的阻塞开销。

2、AQS两种队列

两种队列结构示意图

2.1、同步等待队列

负责管理在竞争锁失败时进入等待状态的线程，基于双向链表数据结构的队列，是FIFO先进先出线程等待队列，Java中的CLH队列是原CLH队列的一个变种,线程由原自旋机制改为阻塞机制。

2.1.1、公平锁

新线程到来时，会先检查同步队列中是否有已在等待的线程。只要有排队者，它就会直接进入队列尾部等待，不会尝试获取锁。这是其“公平”的核心。如果队列为空，它仍会尝试获取锁。

2.1.2、非公平锁

新线程到来时，无论队列是否为空，都会先尝试一次CAS操作去“插队”抢锁。只有抢锁失败后，才会进入队列尾部排队。

⚠️提示
✔️AQS默认采用非公平策略，给予了新线程一次“插队”的机会，旨在减少线程切换频率、提升整体吞吐性能。
✔️线程进入同步队列后，会因无法立即获取锁而发生实际的挂起与唤醒，这一过程涉及内核态切换与上下文恢复，因而存在一定的性能开销

2.2、条件等待队列

与特定条件关联，当线程调用await()时，会释放已持有的锁并进入条件队列等待；

当其他线程调用signal()唤醒时，该队列中的线程结点会被移至同步等待队列，重新参与锁的竞争。

2.2.1、条件队列源码

条件队列唤醒

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; /** First node of condition queue. */ private transient Node firstWaiter; /** Last node of condition queue. */ private transient Node lastWaiter; ...... public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); } // 唤醒 private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); } /** * 将节点从条件队列转移到同步队列 */ final boolean transferForSignal(Node node) { if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; } }

条件队列转换为同步队列

private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }

⚠️注意
✔️基于LockSupport.unpark(node.thread)、LockSupport.park(node.thread)实现阻塞和唤醒
✔️条件队列在AQS内部是一个单向链表，节点在被转移到同步队列时，被构建为双向链表节点CLH队列

2.3、区别对比

特性	条件等待队列	同步等待队列
数据结构	单向链表	双向链表
连接指针	nextWaiter	prev, next
主要操作	await（尾部添加），signal（头部移除）	acquire（尾部添加/自旋），release（头部唤醒/移除）
关键需求	简单的 FIFO 等待/唤醒	必须支持从任意位置取消节点、状态传播、稳定的遍历
设计目标	实现简单，节省资源	功能完备，操作高效且安全