从AQS看ReentrantLock、Semaphore与CountDownLatch的源码级差异

一、AQS的两种模式：独占与共享

AQS通过tryAcquire/tryRelease和tryAcquireShared/tryReleaseShared两套方法，支持两种资源访问模式：

1. 独占模式（Exclusive）：资源仅允许一个线程持有（如ReentrantLock）。
2. 共享模式（Shared）：资源允许多个线程共同访问（如Semaphore、CountDownLatch）。

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二、ReentrantLock：独占锁的实现

1. 核心代码解析

• state含义：表示锁的重入次数（0=未锁定，≥1=被持有）。
• Sync实现：

  // ReentrantLock.Sync
  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
      // 实现重入逻辑（见前文）
  }
  
  protected final boolean tryRelease(int releases) {
      // 减少state，归零时释放锁
  }
  

2. 特点

• 同一时刻只有一个线程能修改state。
• AQS队列中所有节点均为Node.EXCLUSIVE（独占模式）。

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三、Semaphore：共享锁的流量控制

1. 核心代码解析

• state含义：表示可用许可证数量。
• Sync实现：

  // Semaphore.NonfairSync
  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
      return nonfairTryAcquireShared(acquires);
  }
  
  final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
      for (;;) {
          int available = getState();
          int remaining = available - acquires;
          if (remaining < 0 || 
              compareAndSetState(available, remaining)) {
              return remaining;  // 正数：获取成功；负数：需排队
          }
      }
  }
  
  protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
      for (;;) {
          int current = getState();
          int next = current + releases;
          if (next < current) throw new Error("Maximum permit count exceeded");
          if (compareAndSetState(current, next)) 
              return true;
      }
  }
  

2. 特点

• 多个线程可同时获取许可证（state减少），直到归零。
• AQS队列节点为Node.SHARED，唤醒时会传播（连续唤醒后续共享节点）。

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四、CountDownLatch：一次性栅栏

1. 核心代码解析

• state含义：初始值为计数阈值，递减至0时触发唤醒。
• Sync实现：

  // CountDownLatch.Sync
  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
      return (getState() == 0) ? 1 : -1;  // 1=成功，-1=需阻塞
  }
  
  protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
      for (;;) {
          int c = getState();
          if (c == 0) return false;
          int nextc = c - 1;
          if (compareAndSetState(c, nextc))
              return nextc == 0;  // 只有当state归零时返回true，触发唤醒
      }
  }
  

2. 工作流程

1. 初始化：state = N（N为计数阈值）。
2. countDown()：调用releaseShared(1)，递减state，归零时唤醒所有等待线程。
3. await()：调用acquireSharedInterruptibly(1)，若state ≠ 0，线程进入队列阻塞。

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五、三者的关键差异对比

维度	ReentrantLock	Semaphore	CountDownLatch
同步模式	独占	共享	共享
state语义	重入次数	剩余许可证数量	剩余计数
资源释放	持有线程主动释放	获取许可证的线程均可释放	外部线程调用countDown()
重用性	可重入，反复加锁/解锁	许可证可动态增减	一次性（归零后不可重置）
典型场景	临界区互斥访问	限流（如数据库连接池）	多线程等待事件触发

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六、AQS的通用逻辑与定制扩展

1. 共性逻辑

• 队列管理：所有同步器共用同一套入队/出队、阻塞/唤醒逻辑。
• 中断与超时：由AQS统一处理，子类无需关心。

2. 定制扩展

通过重写以下方法实现不同同步语义：

• 独占模式：

  protected boolean tryAcquire(int arg)
  protected boolean tryRelease(int arg)
  

• 共享模式：

  protected int tryAcquireShared(int arg)
  protected boolean tryReleaseShared(int arg)
  

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七、总结：AQS的抽象力量

• ReentrantLock：通过state和独占模式实现互斥性与重入性。
• Semaphore：利用共享模式和state的原子操作，实现灵活的许可证管理。
• CountDownLatch：通过state的递减和共享唤醒机制，构建一次性协作屏障。

源码启示：AQS通过抽象state的含义和操作，将复杂的线程调度封装为可复用的框架，这正是Java并发包高效且灵活的核心原因。