AQS源码深入分析之共享模式-你知道为什么AQS中要有PROPAGATE这个状态吗？

本文基于JDK-8u261源码分析

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本篇文章为AQS系列文的第二篇，前文请看：[传送门]

第一篇：AQS源码深入分析之独占模式-ReentrantLock锁特性详解

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1 Semaphore概览

共享模式就是有多个线程可以同时拿到锁资源，共享模式用Semaphore来举例，其与ReentrantLock的结构类似，也有公平和非公平两种模式：

 1  public class Semaphore implements Serializable {
 2    //...
 3
 4    private final Sync sync;
 5
 6    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 7        //...
 8
 9        Sync(int permits) {
10            setState(permits);
11        }
12
13        //...
14    }
15
16    static final class NonfairSync extends Sync {
17        //...
18
19        NonfairSync(int permits) {
20            super(permits);
21        }
22
23        //...
24    }
25
26    static final class FairSync extends Sync {
27        //...
28
29        FairSync(int permits) {
30            super(permits);
31        }
32
33        //...
34    }
35
36    public Semaphore(int permits) {
37        sync = new NonfairSync(permits);
38    }
39
40    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
41        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
42    }
43
44    //...
45  }

调用构造方法时需要传入一个控制同时并发次数的参数permits，该值会赋值给AQS的state（注意：这里是可以赋值成小于等于0的参数的，如果acquire的参数没有设置好的话，所有线程可能都会一直处于阻塞状态而无法被唤醒）。

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2 非公平锁

2.1 acquire方法

Semaphore的非公平锁方式下的acquire方法：

  1  /**
  2   * Semaphore:
  3   */
  4  public void acquire() throws InterruptedException {
  5    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
  6  }
  7
  8  /**
  9   * AbstractQueuedSynchronizer:
 10   */
 11  public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
 12        throws InterruptedException {
 13    //arg = 1
 14    //如果当前线程已经中断了，直接抛出异常。因为被中断了就没有意义再去获取锁资源了
 15    if (Thread.interrupted())
 16        throw new InterruptedException();
 17    //尝试去获取共享资源
 18    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
 19        //获取资源失败的话，进CLH队列进行排队等待
 20        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
 21}
 22
 23  /**
 24   * Semaphore:
 25   * 第18行代码处：
 26   */
 27  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 28    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
 29}
 30
 31  final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
 32    //acquires = 1
 33    for (; ; ) {
 34        int available = getState();
 35        int remaining = available - acquires;
 36        /*
 37        如果剩余资源小于0或者CAS设置state-1成功了的话，退出死循环
 38        注意，这里不需要判断溢出了，因为这里是在做state-1
 39         */
 40        if (remaining < 0 ||
 41                compareAndSetState(available, remaining))
 42            return remaining;
 43    }
 44  }

2.2 doAcquireSharedInterruptibly方法

doAcquireSharedInterruptibly方法和独占模式的acquireQueued方法类似，但区别是共享模式在一个节点获取锁后，会通知后续的节点也来一起尝试获取：

  1  /**
  2   * AbstractQueuedSynchronizer:
  3   * 和独占模式下的acquireQueued方法的代码类似，只不过这里是共享模式下的响应中断模式
  4   */
  5  private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
  6        throws InterruptedException {
  7    //CLH队列尾加入一个新的共享节点
  8    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
  9    boolean failed = true;
 10    try {
 11        for (; ; ) {
 12            //获取当前节点的前一个节点
 13            final Node p = node.predecessor();
 14            if (p == head) {
 15                /*
 16                和独占模式一样，只有前一个节点是头节点，也就是当前节点
 17                是实际上的第一个等待着的节点的时候才尝试获取资源（FIFO）
 18                 */
 19                int r = tryAcquireShared(arg);
 20                if (r >= 0) {
 21                    /*
 22                    r大于等于0说明此时还有锁资源（等于0说明锁资源被当前线程拿走后就没了），
 23                    设置头节点，并且通知后面的节点也获取锁资源。独占锁和共享锁的差异点就在于此，
 24                    共享锁在前一个节点获取资源后，会通知后续的节点也一起来获取
 25                     */
 26                    setHeadAndPropagate(node, r);
 27                    p.next = null;
 28                    failed = false;
 29                    return;
 30                }
 31            }
 32            /*
 33            和独占模式一样，将CLH队列中当前节点之前的一些CANCELLED状态的节点剔除；前一个节点状态如果
 34            为SIGNAL时，就会阻塞当前线程。不同的是，这里会抛出异常，而不是独占模式的会设定中断位为true
 35            即响应中断模式，如果线程被中断了会抛出InterruptedException
 36             */
 37            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
 38                    parkAndCheckInterrupt())
 39                throw new InterruptedException();
 40        }
 41    } finally {
 42        if (failed)
 43            //如果线程被中断后唤醒，就会取消当前线程获取锁资源的请求
 44            cancelAcquire(node);
 45    }
 46}
 47
 48  /**
 49   * 第26行代码处：
 50   */
 51  private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
 52    //记录旧head节点
 53    Node h = head;
 54    //执行完setHead方法后，node节点成为新的head节点
 55    setHead(node);
 56    /*
 57    <1>propagate>0表示还有剩余锁资源；
 58    <2>旧head节点的状态<0（旧head节点是null这个条件是为了调用waitStatus时防止空指针异常）；
 59    <3>新head节点的状态<0（新head节点是null这个条件是为了调用waitStatus时防止空指针异常）
 60    这些条件满足其一就会尝试调用doReleaseShared方法来唤醒后面的节点
 61     */
 62    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
 63            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
 64        Node s = node.next;
 65        /*
 66        具体是否会调用doReleaseShared方法还需要判断node是最后一个节点或者node的下一个节点是
 67        共享节点的时候才去唤醒（判断s是否为null一方面也是为了后面判断s是否是共享节点时不会抛
 68        出空指针异常；但更重要的原因是因为如果node是CLH队列中的最后一个节点的话，这个时候虽然
 69        拿到的s是null，但如果此时有其他的线程在CLH队列中新添加了一个节点后，此处并不能及时感
 70        知到这个变化。于是此时也会走进doReleaseShared方法中去处理这种情况（当然，如果没有发生
 71        多线程插入节点的时候，多调用一次doReleaseShared方法也是无妨的，在该方法里面会过滤掉这
 72        种情况）。同时这里会特殊判断共享节点是因为CLH队列中可能会存在独占节点和共享节点共存的
 73        场景出现，也就是ReentrantReadWriteLock读写锁的场景。这里会一直传播唤醒共享节点直到遇
 74        到一个独占节点为止，后面的节点不管是独占或共享状态都不会再被唤醒了）
 75         */
 76        if (s == null || s.isShared())
 77            doReleaseShared();
 78    }
 79}
 80
 81  /**
 82   * 唤醒后续节点（加锁和释放锁都会调用本方法）
 83   */
 84  private void doReleaseShared() {
 85    for (; ; ) {
 86        Node h = head;
 87        //h != null && h != tail说明此时CLH队列中至少有两个节点（包括空节点），即至少含有一个真正在等待着的节点
 88        if (h != null && h != tail) {
 89            int ws = h.waitStatus;
 90            if (ws == Node.SIGNAL) {
 91                /*
 92                因为下面要唤醒下一个节点，所以将头节点的状态SIGNAL改为0（因为SIGNAL表示的是下一个节点是阻塞状态）
 93                如果CAS没成功，就继续尝试
 94                 */
 95                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
 96                    continue;
 97                //唤醒下一个可以被唤醒的节点
 98                unparkSuccessor(h);
 99            } else if (ws == 0 &&
100                    !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
101                /*
102                需要注意的是，在共享锁模式下，不论是acquire方法还是release方法，都会调用到doReleaseShared的，
103                而且每个方法也可能有多个线程在调用。也就是说doReleaseShared方法会有多个线程在调用。假如此时有
104                多个线程进入到第89行代码处，而其中一个线程先执行了第90行代码处的if条件，将头节点状态改为了0
105                而剩下的线程就不能跳进第90行代码处的if条件中，而只能走到第99行代码处，ws == 0条件满足，
106                于是剩下的线程就去CAS竞争修改头节点状态为PROPAGATE（表示需要将唤醒动作向后继续传播）。修改成功的
107                那个线程就跳到了第135行代码处，进行下个判断逻辑，而再剩下的那些线程就让它们继续循环就行了
108                （剩下的那些线程会发现head节点此时已经变成了PROPAGATE状态，于是会在下一次循环的第86行代码处
109                和第135行代码处两次判断head指针是否指向了同一个节点（包括之前那个CAS修改成功的线程和执行唤醒
110                动作的线程最后也会走到这里）。如果相同了，说明：
111                <1>可能是当前唤醒传播停止了（每个被唤醒的线程都可能会走入到本方法中的unparkSuccessor处
112                唤醒下一个节点，相当于把唤醒动作“传播”下去。同时每次唤醒后会变更head指针，如果head不发生变动了，
113                就说明唤醒传播停止了（注意上面所说的读写锁场景，也有可能是遇到了一个独占节点才停止的））；
114                <2>可能是将要唤醒下一个节点但还没唤醒前的瞬间
115                不管是属于哪种情况，这些线程都可以退出了（第二种情况下只要等下一个节点唤醒并抢到锁后，还是会走到
116                本方法里面的，也就是会将唤醒动作继续传播下去。但那个时候就不需要这些线程来操心了，只需要保证唤醒
117                能一直传播下去就OK））
118
119                总结一下：因为head节点的状态为0就说明此时是一个中间过渡状态，最简单的情况下只有这个线程以及它所
120                唤醒的下个线程们在一直传递地唤醒着，是不会走入到99行代码处的if条件中来的。而如果有线程能走到这里，
121                就说明此时在doReleaseShared方法也就是本方法中有多个线程在同时调用着。PROPAGATE状态的出现，
122                我认为是为了创造出一种区别于SIGNAL状态的另外一种状态（因为SIGNAL状态的含义定义死了就是代表后一个
123                节点是阻塞状态，所以这里不能用SIGNAL状态来代替）。这个时候将head节点由原来的0置为PROPAGATE状态，
124                以此来保证之前的那些线程也可以读取到此时旧的head节点状态是PROPAGATE，是<0的，从而可以调用到
125                doReleaseShared方法继续去唤醒下一个节点，也就是将唤醒动作传播下去（在之前某个版本的
126                setHeadAndPropagate方法中，if条件中是没有最后那两个判断新head节点状态的条件的。如果是这样的话，
127                我上面的这些分析就是没问题的，但是后来不知道为什么又添加了那两个条件，这个时候的解释就略显苍白了
128                （因为即使没有PROPAGATE状态，这些获取锁的线程虽然拿到旧的head节点状态是0，但是此时获取到的新的head
129                节点也就是它们自己，其状态肯定是<0的，所以一样会走doReleaseShared方法）。但是之前确实是这样的，
130                也就是PROPAGATE状态添加的本意就是为了将唤醒传播下去，可能是后来为了修复某个bug，就又做了些改动
131                吧，这里就不再深究了）
132                 */
133                continue;
134        }
135        if (h == head)
136            break;
137    }
138  }

2.3 release方法

Semaphore的release方法：

 1  /**
 2   * Semaphore:
 3   */
 4  public void release() {
 5    sync.releaseShared(1);
 6}
 7
 8  /**
 9   * AbstractQueuedSynchronizer:
10   */
11  public final boolean releaseShared(int arg) {
12    //arg = 1
13    //释放锁资源，也就是做state+1的操作
14    if (tryReleaseShared(arg)) {
15        /*
16        唤醒后续可以被唤醒的节点
17        从这里就可以看出，在共享锁模式下，不仅释放锁的方法可以唤醒节点，加锁的方法也会触发唤醒后续节点的操作
18         */
19        doReleaseShared();
20        return true;
21    }
22    return false;
23}
24
25  /**
26   * Semaphore:
27   * 第14行代码处：
28   */
29  protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
30    //releases = 1
31    for (; ; ) {
32        int current = getState();
33        int next = current + releases;
34        //如果超出int最大值，则抛出Error。同时如果传进来的releases本身就小于0的话，也会抛出Error
35        if (next < current)
36            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
37        //CAS修改state+1
38        if (compareAndSetState(current, next))
39            return true;
40    }
41  }

---

3 PROPAGATE状态

值得一提的是：纵观整个AQS的源码，只有在doReleaseShared方法中具体用到了PROPAGATE这个状态，在其他地方都是没有显式用到的，那么可能就会对这个状态存在的意义有些许质疑了。其实在早期版本的AQS源码中是没有PROPAGATE这个状态的，之所以要引入它是为了解决一个bug（JDK-6801020）：

从上面可以看到，这个bug是在Java 7中修复的（在Java 6中的一些版本中也已经添加了PROPAGATE状态），同时在bug清单的下面也贴出了可能出现bug的测试代码。那么下面就来看一下离现在非常久远的Java 5u22中的该处代码是如何实现的：

 1  private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
 2    setHead(node);
 3    if (propagate > 0 && node.waitStatus != 0) {
 4        Node s = node.next;
 5        if (s == null || s.isShared())
 6            unparkSuccessor(node);
 7    }
 8  }
 9
10   public final boolean releaseShared(int arg) {
11    if (tryReleaseShared(arg)) {
12        Node h = head;
13        if (h != null && h.waitStatus != 0)
14            unparkSuccessor(h);
15        return true;
16    }
17    return false;
18  }

可以看到，早期版本的实现相比于现在的实现来说简单了很多，总结起来最主要的区别有以下几个：

1. 在setHeadAndPropagate方法中，早期版本对节点waitStatus状态的判断只是!=0，而现在改为了<0；
2. 早期版本的releaseShared方法中的执行逻辑和独占锁下的release方法是一样的，而现在将具体的唤醒逻辑写在了doReleaseShared方法里面，和setHeadAndPropagate方法共同调用。

而可能出现bug的测试代码如下：

 1  import java.util.concurrent.Semaphore;
 2
 3  public class TestSemaphore {
 4
 5    private static Semaphore sem = new Semaphore(0);
 6
 7    private static class Thread1 extends Thread {
 8        @Override
 9        public void run() {
10            sem.acquireUninterruptibly();
11        }
12    }
13
14    private static class Thread2 extends Thread {
15        @Override
16        public void run() {
17            sem.release();
18        }
19    }
20
21    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
22        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
23            Thread t1 = new Thread1();
24            Thread t2 = new Thread1();
25            Thread t3 = new Thread2();
26            Thread t4 = new Thread2();
27            t1.start();
28            t2.start();
29            t3.start();
30            t4.start();
31            t1.join();
32            t2.join();
33            t3.join();
34            t4.join();
35            System.out.println(i);
36        }
37    }
38  }

其实上面所做的操作无非就是创建了四个线程：t1和t2用于获取信号量，而t3和t4用于释放信号量，其中的10000000次for循环是为了放大出现bug的几率，join操作是为了阻塞主线程。现在就可以说出出现bug的现象了：也就是这里可能会出现线程被hang住的情况发生（遗憾的是，我并没有模拟出来这个bug）。

可以想象这样一种场景：假如说当前CLH队列中有一个空节点和两个被阻塞的节点（t1和t2想要获取信号量但获取不到被阻塞在CLH队列中（state初始为0））：head->t1->t2（tail）。

• 时刻1：t3调用release->releaseShared->tryReleaseShared，将state+1变为1，同时发现此时的head节点不为null并且waitStatus为-1，于是继续调用unparkSuccessor方法，在该方法中会将head的waitStatus改为0；
• 时刻2：t1被上面t3调用的unparkSuccessor方法所唤醒，调用了tryAcquireShared，将state-1又变为了0。注意，此时还没有调用接下来的setHeadAndPropagate方法；
• 时刻3：t4调用release->releaseShared->tryReleaseShared，将state+1变为1，同时发现此时的head节点虽然不为null，但是waitStatus为0，所以就不会执行unparkSuccessor方法；
• 时刻4：t1执行setHeadAndPropagate->setHead，将头节点置为自己。但在此时propagate也就是剩余的state已经为0了（propagate是在时刻2时通过传参的方式传进来的，那个时候-1后剩余的state是0），所以也不会执行unparkSuccessor方法。

至此可以发现一轮循环走完后，CLH队列中的t2线程永远不会被唤醒，主线程也就永远处在阻塞中，这里也就出现了bug。那么来看一下现在的AQS代码在引入了PROPAGATE状态后，在面对同样的场景下是如何解决这个bug的：

• 时刻1：t3调用release->releaseShared->tryReleaseShared，将state+1变为1，继续调用doReleaseShared方法，将head的waitStatus改为0，同时调用unparkSuccessor方法；
• 时刻2：t1被上面t3调用的unparkSuccessor方法所唤醒，调用了tryAcquireShared，将state-1又变为了0。注意，此时还没有调用接下来的setHeadAndPropagate方法；
• 时刻3：t4调用release->releaseShared->tryReleaseShared，将state+1变为1，同时继续调用doReleaseShared方法，此时会将head的waitStatus改为PROPAGATE；
• 时刻4：t1执行setHeadAndPropagate->setHead，将新的head节点置为自己。虽然此时propagate依旧是0，但是“h.waitStatus < 0”这个条件是满足的（h现在是PROPAGATE状态），同时下一个节点也就是t2也是共享节点，所以会执行doReleaseShared方法，将新的head节点（t1）的waitStatus改为0，同时调用unparkSuccessor方法，此时也就会唤醒t2了。

至此就可以看出，在引入了PROPAGATE状态后，可以有效避免在高并发场景下可能出现的、线程没有被成功唤醒的情况出现。

---

4 公平锁

4.1 tryAcquireShared方法

同ReentrantLock一样，Semaphore的公平锁和非公平锁实现上的区别也非常少，只有tryAcquireShared方法是不同的。所以下面就来看一下这个方法的实现：

 1  /**
 2   * Semaphore:
 3   */
 4  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 5    for (; ; ) {
 6        /*
 7        可以看到公平锁模式下的tryAcquireShared方法和非公平锁模式下的nonfairTryAcquireShared方法的区别
 8        一样是多调用了一次hasQueuedPredecessors方法，以此来判断CLH队列中是否有线程的等待获取锁的时间
 9        比当前线程的还要长。如果有的话就会直接返回-1，也就是获取资源失败，然后会进CLH队列进行排队等待
10        （体现“公平”的含义）；没有的话就会去进行state-1，然后返回剩余的锁资源
11         */
12        if (hasQueuedPredecessors())
13            return -1;
14        int available = getState();
15        int remaining = available - acquires;
16        if (remaining < 0 ||
17                compareAndSetState(available, remaining))
18            return remaining;
19    }
20  }

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在这行干的越久真是越觉得：万丈高楼平地起，这绝B是句真理！在应用业务里待太久很多底层的东西往往容易忽略掉，今年的年初计划是把常用的JDK源码工具做一次总结，眼看年底将近，乘着最近有空，赶紧的给补上。

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每一次总结都是对知识点掌握程度的审视，技术不易，每日精进一点，与大家共勉。

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