015-从0到1带你深入并发编程：解密AQS共享模式：PROPAGATE状态如何实现唤醒信号的连锁传播

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我们常常在当下感到时间慢，觉得未来遥远，但一旦回头看，时间已经悄然流逝。对于未来，尽管如此，也应该保持一种从容的态度，相信未来仍有许多可能性等待着我们。

1. 共享模式与独占模式的根本差异

在Java并发编程中，AbstractQueuedSynchronizer（AQS）提供了两种基本的同步模式：独占模式（Exclusive）和共享模式（Shared）。这两种模式在节点入队和出队操作上存在着本质性的区别，理解这些差异是掌握AQS高级用法的关键。

独占模式（如ReentrantLock）的特点是同一时刻只允许一个线程访问共享资源，获取锁和释放锁的操作都是针对单个线程的。与之形成鲜明对比的是，共享模式（如Semaphore、CountDownLatch）允许多个线程同时访问资源，这种"共享"特性在节点出队时引发了独特的"传播"机制。

从语义层面来看，独占模式体现的是"互斥"思想，而共享模式体现的是"协作"思想。这种根本差异直接反映在AQS的节点状态管理和唤醒策略上。

2. 共享节点的入队操作：与独占模式的对比分析

2.1 基本入队流程的相似性

在节点入队的基本流程上，共享模式与独占模式都遵循相同的enq方法：

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

这个自旋CAS操作是两种模式共用的基础设施，体现了AQS设计上的复用思想。无论是共享节点还是独占节点，都需要通过这个安全的入队机制加入到同步队列中。

2.2 模式标识的关键差异

真正的差异体现在节点的模式标识上。在AQS的Node类中，通过nextWaiter字段来区分节点模式：

• 独占节点：nextWaiter指向一个特殊的EXCLUSIVE标记

• 共享节点：nextWaiter指向一个特殊的SHARED标记

这个标识在节点创建时确定，并在整个生命周期中保持不变。它决定了节点在同步队列中的行为方式，特别是在出队时的唤醒策略。

3. setHeadAndPropagate：共享模式出队的核心引擎

3.1 方法执行的双重职责

setHeadAndPropagate方法是共享模式最核心的出队操作方法，它承担着两个重要职责：

 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
     Node h = head;
     setHead(node);
     
     if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
         (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
         Node s = node.next;
         if (s == null || s.isShared())
             doReleaseShared();
     }
 }

职责一：更新头节点 通过setHead(node)将当前节点设置为新的头节点，同时清空节点的线程引用，帮助垃圾回收。这个操作是线程安全的，因为只有成功获取资源的线程才能执行这个方法。

职责二：判断传播条件 方法通过多个条件判断来决定是否继续传播唤醒信号，这些条件构成了共享模式唤醒传播的决策逻辑。

3.2 传播条件的精细判断

传播条件的判断体现了AQS在性能优化上的精细考量：

1. propagate > 0：明确指示需要传播（如Semaphore的许可证还有剩余）

2. 原头节点状态检查：h.waitStatus < 0 表示原头节点可能处于SIGNAL或PROPAGATE状态

3. 新头节点状态检查：再次检查当前头节点状态，应对并发场景

这种多层次的条件检查确保了在复杂的并发环境下，唤醒信号既不会丢失，也不会过度传播。

4. PROPAGATE状态：传播机制的关键使者

4.1 PROPAGATE状态的引入背景

在早期的AQS实现中，存在一个已知的竞争条件问题：当某个线程释放资源并准备唤醒后继节点时，另一个线程可能刚好在此时获取资源并修改了状态，导致唤醒信号丢失。

PROPAGATE状态（值为-3）就是为了解决这个问题而引入的。它作为一个中间状态，表示"应该继续传播唤醒信号"。

4.2 PROPAGATE状态的工作机制

PROPAGATE状态在doReleaseShared方法中发挥关键作用：

 private void doReleaseShared() {
     for (;;) {
         Node h = head;
         if (h != null && h != tail) {
             int ws = h.waitStatus;
             if (ws == Node.SIGNAL) {
                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                     continue;
                 unparkSuccessor(h);
             } else if (ws == 0 &&
                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                 continue;
         }
         if (h == head)
             break;
     }
 }

当头节点的waitStatus为0时，doReleaseShared会尝试将其设置为PROPAGATE。这个状态告诉其他线程："这里刚刚发生了一次释放操作，可能需要继续传播唤醒"。

5. 传播唤醒的连锁反应

5.1 唤醒信号的级联传递

共享模式最精妙的特点在于唤醒信号的"连锁反应"。当一个共享节点成功获取资源后，它会检查后续节点：

1. 如果后续节点也是共享模式，立即调用doReleaseShared()

2. doReleaseShared会唤醒后续节点，使其尝试获取资源

3. 被唤醒的节点在成功获取资源后，重复这个过程

这种机制形成了唤醒信号的级联传递，使得多个等待的共享节点可以快速、批量地被激活。

5.2 性能优势的具体体现

与独占模式相比，共享模式的传播机制带来了显著的性能优势：

减少不必要的挂起和唤醒 在独占模式下，每个线程需要单独被唤醒、尝试获取锁、可能再次挂起。而在共享模式下，一次成功的获取可能触发一连串的唤醒，大大减少了线程状态切换的开销。

提高资源利用率 对于像Semaphore这样的资源控制器，传播机制确保了可用资源被快速分配给等待的线程，减少了资源空闲时间。

降低系统调用开销 每次LockSupport.unpark()都涉及系统调用，批量唤醒减少了这类开销，提高了整体吞吐量。

6. 实际应用场景分析

6.1 Semaphore中的传播实现

以Semaphore为例，在非公平模式下，tryAcquireShared方法返回剩余许可证数量：

 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
     for (;;) {
         int available = getState();
         int remaining = available - acquires;
         if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))
             return remaining;
     }
 }

当remaining > 0时，setHeadAndPropagate会继续传播唤醒信号，确保所有可用的许可证都被快速分配。

6.2 CountDownLatch的一次性传播

CountDownLatch在状态达到0时，会触发一次大规模的传播：

 public void countDown() {
     sync.releaseShared(1);
 }
 ​
 protected int tryReleaseShared(int releases) {
     for (;;) {
         int c = getState();
         if (c == 0)
             return false;
         int nextc = c-1;
         if (compareAndSetState(c, nextc))
             return nextc == 0;
     }
 }

当计数器归零时，所有等待的线程会通过传播机制被同时唤醒，这正是CountDownLatch"同时启程"语义的实现基础。

7. 并发环境下的正确性保证

7.1 竞争条件的处理

传播机制在面临并发访问时，通过多种策略保证正确性：

CAS操作的原子性 所有状态变更都通过CAS操作完成，确保在并发环境下不会出现状态不一致。

重试机制的容错性 doReleaseShared中的无限循环配合CAS失败后的重试，提供了良好的容错能力。

状态检查的保守性 setHeadAndPropagate中的条件判断倾向于"过度传播"而非"丢失传播"，这种保守策略在实践中更为安全。

7.2 性能与正确性的平衡

AQS在传播机制的设计上体现了性能与正确性的精妙平衡：

• 通过PROPAGATE状态避免信号丢失

• 通过条件判断避免过度传播

• 通过级联唤醒提高吞吐量

• 通过状态检查保证安全性

8. 最佳实践与性能调优

8.1 自定义同步器的实现建议

在基于AQS实现自定义共享同步器时，应该：

1. 准确返回传播信号：tryAcquireShared方法应该准确返回剩余资源数量

2. 合理设置状态：在tryReleaseShared中正确判断是否需要触发传播

3. 考虑边界条件：特别是资源数量为0和整数溢出的情况

8.2 性能监控与诊断

在实际生产环境中，监控共享同步器的性能表现很重要：

• 观察线程的等待时间和唤醒频率

• 监控同步队列的长度变化

• 分析传播链的长度和效果

总结

共享模式下的节点入队和出队操作通过精妙的传播机制，实现了多个线程的高效协作。PROPAGATE状态作为这个机制的核心，解决了并发环境下的竞争条件问题，同时保证了高性能和高吞吐量。

理解这种传播机制不仅有助于更好地使用Java并发工具类，也为设计和实现高性能的并发组件提供了宝贵的思路。在当今多核处理器成为主流的时代，这种共享协作的模式比传统的互斥锁更加符合现代系统的性能需求。

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