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Java 并发包核心机制深度解析：锁的公平性、异步调度、AQS 原理全解

news 来源：原创 2025/4/22 13:23:16

🧠 Java 并发包核心机制深度解析：锁的公平性、异步调度、AQS 原理全解

Java 并发编程的地基是 java.util.concurrent，但真正驱动这个系统的，是它背后隐藏的三根支柱：

ReentrantLock 的公平/非公平调度策略
CompletableFuture 的异步执行模型
AQS 的队列与阻塞线程管理机制

本文将以源码 & 结构视角解析这三块知识点，并配图讲清它们的运行状态与机制。

🔐 ReentrantLock 公平锁 vs 非公平锁

✳️ 概念区别

公平锁（Fair）：排队等待的线程会按顺序获取锁，避免“插队”。
非公平锁（NonFair）：新线程尝试直接 CAS 获取锁，如果成功就跳过队列 —— 提升吞吐量，但可能导致“饿死”。

📜 构造方式

// 默认是非公平锁
Lock lock = new ReentrantLock(); // 公平锁
Lock fairLock = new ReentrantLock(true);

⚙️ 实现原理

ReentrantLock 继承自 AbstractQueuedSynchronizer（AQS），关键方法如下：

// 非公平：直接尝试 CAS 抢锁
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0 && compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}return false;
}// 公平：要先检查前面有没有排队线程
final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}return false;
}

🔁 锁状态图

[Free Lock] → tryAcquire()↓       ↘ (被占用)
[Acquired]   → 加入 AQS 等待队列 → LockSupport.park() 阻塞↓unlock() → 唤醒队列中的下一个线程

🚀 CompletableFuture 的异步调度机制

CompletableFuture 是 JDK 8 提供的函数式异步编程工具，常用于构建任务链和异步合并。

🧱 内部结构

CompletableFuture<T> {Object result;volatile Completion stack; // 任务链
}

每一个 thenApply, thenAccept, thenCombine 等方法，本质上是构建一个任务节点（Completion），放入队列中。

🔧 异步调度流程

CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return 42;
}).thenApplyAsync(res -> {return res + 1;
});

supplyAsync() 提交任务到默认线程池（ForkJoinPool.commonPool）
任务执行完成后，触发 postComplete()，依次唤醒后续 Completion
后续任务如果带 Async，会再次提交到线程池执行，否则同步调用

☑️ 核心调度代码

private void postComplete() {Completion h;while ((h = stack) != null) {if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, STACK, h, null))h.tryFire(NESTED);}
}

Completion 是内部静态类，代表任务节点链表，构成任务依赖树。

🧱 AQS：并发核心队列结构

AbstractQueuedSynchronizer 是整个 locks 与 同步器 的基石，核心是管理同步状态与阻塞线程。

🧬 AQS 结构图

+-----------------------+
|     AbstractQueuedSynchronizer     |
+-----------------------+
| int state                          |
| Node head                          |
| Node tail                          |
+-----------------------+Node {Thread thread;Node next;Node prev;int waitStatus;  // SIGNAL, CANCELLED...
}

🔁 加锁过程（独占）

尝试获取锁（CAS 设置 state）
失败则入队（构造 Node，放入队列）
阻塞线程（LockSupport.park）
被唤醒后再次尝试获取锁

✨ 解锁过程

CAS 修改 state，释放锁
唤醒队列中第一个 SIGNAL 状态的 Node（即下一个等待线程）
线程继续执行

🎯 总结：三者协作关系

模块	角色	底层依赖
`ReentrantLock`	负责线程互斥、资源保护	AQS + LockSupport
`CompletableFuture`	异步任务链式调度	ForkJoinPool + Completion
`AQS`	管理线程队列、状态、阻塞机制	CAS + LockSupport + Unsafe