iOS中常见的10种锁

作者: 再好一点点 | 来源:发表于2019-03-09 11:51 被阅读31次

首先看一下它们的性能对比：

性能对比图

下面开始逐个分析

1. OSSpinLock 自旋锁

引入头文件 #import <libkern/OSAtomic.h>

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    //设置票的数量为5
    _tickets = 5;
    //创建锁
    _pinLock = OS_SPINLOCK_INIT;
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });
    //线程2
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });


}

- (void)saleTickets
{
    while (1) {
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];
        //加锁
        OSSpinLockLock(&_pinLock);
        
        if (_tickets > 0) {
            _tickets--;
            NSLog(@"剩余票数= %ld, Thread:%@",_tickets,[NSThread currentThread]);
            
        } else {
            NSLog(@"票卖完了  Thread:%@",[NSThread currentThread]);
            break;
        }
        //解锁
        OSSpinLockUnlock(&_pinLock);
    }
}

2. os_unfair_lock iOS10以后代替自旋锁

os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ，从iOS10开始才支持
从底层调用看，等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态，并非忙等
需要引入头文件#import <os/lock.h>

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    //设置票的数量为5
    _tickets = 5;
    //创建锁
    _pinLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });
    //线程2
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });


}

- (void)saleTickets
{
    while (1) {
        //加锁
        os_unfair_lock_lock(&_pinLock);
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];

        if (_tickets > 0) {
            _tickets--;
            NSLog(@"剩余票数= %ld, Thread:%@",_tickets,[NSThread currentThread]);
            
        } else {
            NSLog(@"票卖完了  Thread:%@",[NSThread currentThread]);
            break;
        }
        //解锁
        os_unfair_lock_unlock(&_pinLock);
    }
}

3. dispatch_semaphore 信号量实现加锁

dispatch_semaphore实现的原理,首先会先将信号量减一，并判断是否大于等于0，如果是，则返回0，并继续执行后续代码，否则，使线程进入睡眠状态，让出cpu时间。直到信号量大于0或者超时，则线程会被重新唤醒执行后续操作。
dispatch_semaphore_create(1);为1说明只可以同时执行一个线程,如果为2可以同时执行两个线程,为N可以同时执行N个线程,同时执行也就是说同时执行的这些线程不具备线程安全

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    __block int i = 0;
    
    // 创建信号量
    dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        i++;
        sleep(1);
        i--;
        NSLog(@"任务1 %d", i);
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
    
    //线程2
    dispatch_async(queue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        i++;
        sleep(1);
        i--;
        NSLog(@"任务2 %d", i);
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
    
    //线程3
    dispatch_async(queue, ^{
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        i++;
        sleep(1);
        i--;
        NSLog(@"任务3 %d", i);
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
}

例如以上代码,当dispatch_semaphore_create(3) 填写大于等于2时,输出结果是不确定的,如下所示

2019-03-09 21:26:53.920783+0800 test[5048:460547] 任务1 2
2019-03-09 21:26:53.920783+0800 test[5048:460548] 任务2 2
2019-03-09 21:26:53.920784+0800 test[5048:460545] 任务3 1

2019-03-09 21:28:53.449173+0800 test[5083:462224] 任务1 1
2019-03-09 21:28:53.449174+0800 test[5083:462242] 任务2 2
2019-03-09 21:28:53.449251+0800 test[5083:462225] 任务3 0

只有填写1的时候才能保证线程安全

4. pthread_mutex 互斥锁

阻塞线程并进入睡眠

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    __block pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        NSLog(@"任务1");
        sleep(2);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    });
    
    //线程2
    dispatch_async(queue, ^{
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        NSLog(@"任务2");
        sleep(1);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    });


}

5. NSLock 互斥锁不能多次调用 lock方法,会造成死锁

NSLock在内部封装了一个 pthread_mutex
在Cocoa程序中NSLock中实现了一个简单的互斥锁。所有锁（包括NSLock）的接口实际上都是通过NSLocking协议定义的，它定义了lock和unlock方法。你使用这些方法来获取和释放该锁。 NSLock类还增加了tryLock和lockBeforeDate:方法。 tryLock试图获取一个锁，但是如果锁不可用的时候，它不会阻塞线程，相反，它只是返回NO。 lockBeforeDate:方法试图获取一个锁，但是如果锁没有在规定的时间内被获得，它会让线程从阻塞状态变为非阻塞状态（或者返回NO）。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    //设置票的数量为5
    _tickets = 5;
    
    _mutexLock = [[NSLock alloc] init];
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });
    
    //线程2
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });
}

- (void)saleTickets
{
    while (1) {
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];
        //加锁
        [_mutexLock lock];
        if (_tickets > 0) {
            _tickets--;
            NSLog(@"剩余票数= %ld, Thread:%@",_tickets,[NSThread currentThread]);
        } else {
            NSLog(@"票卖完了  Thread:%@",[NSThread currentThread]);
            break;
        }
        //解锁
        [_mutexLock unlock];
    }
}

结果和上边一样就不再赘述

6. NSCondition

NSCondition有点类似于携程,先执行一部分任务,然后跳转到其他地方执行,完了以后再回来

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    _condition = [[NSCondition alloc] init];
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    //设置票的数量为5
    _tickets = 5;
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets1];
    });
    
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets2];
    });
}

- (void)saleTickets1
{

    [_condition lock];
    _tickets--;
    NSLog(@"剩余票数 = %ld, Thread:%@", _tickets, [NSThread currentThread]);
    if (_tickets == 4) {
        [_condition wait];
    }
    _tickets--;
    NSLog(@"剩余票数 = %ld, Thread:%@", _tickets, [NSThread currentThread]);
    [_condition unlock];
}

- (void)saleTickets2
{
    //加锁
    [_condition lock];
    [NSThread sleepForTimeInterval:1];
    _tickets--;
    NSLog(@"我是VIP我来插队了 剩余票数 = %ld, Thread:%@", _tickets, [NSThread currentThread]);
    [_condition signal];
    //解锁
    [_condition unlock];

7. pthread_mutex(recursive) 递归锁

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    
    pthread_mutex_init(&_lock, &attr);    //设置属性
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    //设置票的数量为5
    _tickets = 5;
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });
}

- (void)saleTickets
{
    while (1) {
        //加锁
        pthread_mutex_lock(&_lock);
        [NSThread sleepForTimeInterval:1];

        if (_tickets > 0) {
            _tickets--;
            NSLog(@"剩余票数= %ld, Thread:%@",_tickets,[NSThread currentThread]);
            [self saleTickets];
            
        } else {
            NSLog(@"票卖完了  Thread:%@",[NSThread currentThread]);
            break;
        }
        //解锁
        pthread_mutex_unlock(&_lock);
    }
}

8. NSRecursiveLock 递归锁

使用锁最容易犯的一个错误就是在递归或循环中造成死锁如下代码中，因为在线程1中的递归block中，锁会被多次的lock，所以自己也被阻塞了

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    
    _mutexLock = [[NSLock alloc] init];
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    static void(^TestBlock)(int);
    
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        TestBlock = ^(int value)
        {
            [_mutexLock lock];
            if (value > 0)
            {
                [NSThread sleepForTimeInterval:1];
                int count = --value;
                NSLog(@"count: %d", count);
                TestBlock(count);
            }
            [_mutexLock unlock];
        };
        
        TestBlock(5);
    });

}

以上将NSLock换成NSRecursiveLock，便可解决问题。
_mutexLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
NSRecursiveLock类定义的锁可以在同一线程多次lock，而不会造成死锁。
递归锁会跟踪它被多少次lock。每次成功的lock都必须平衡调用unlock操作。
只有所有的锁住和解锁操作都平衡的时候，锁才真正被释放给其他线程获得。

9. NSConditionLock 条件锁

NSCondition封装了一个互斥锁和条件变量。互斥锁保证线程安全，条件变量保证执行顺序。
条件锁，一个线程获得了锁，其它线程等待。
[xxxx lock];
表示 xxx 期待获得锁，如果没有其他线程获得锁（不需要判断内部的condition) 那它能执行此行以下代码，如果已经有其他线程获得锁（可能是条件锁，或者无条件锁），则等待，直至其他线程解锁
[xxx lockWhenCondition:A条件];
表示如果没有其他线程获得该锁，但是该锁内部的condition不等于A条件，它依然不能获得锁，仍然等待。如果内部的condition等于A条件，并且没有其他线程获得该锁，则进入代码区，同时设置它获得该锁，其他任何线程都将等待它代码的完成，直至它解锁。
[xxx unlockWithCondition:A条件];
表示释放锁，同时把内部的condition设置为A条件

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    //主线程中
    NSConditionLock *theLock = [[NSConditionLock alloc] init];
    
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i=0;i<=3;i++)
        {
            [theLock lock];
            NSLog(@"thread1:%d",i);
            sleep(1);
            [theLock unlockWithCondition:i];
        }
    });
    
    //线程2
    dispatch_async(queue, ^{
        [theLock lockWhenCondition:2];
        NSLog(@"thread2");
        [theLock unlock];
    });

}

执行结果:

2019-03-09 20:54:59.762199+0800 test[4171:428554] thread1:0
2019-03-09 20:55:00.767031+0800 test[4171:428554] thread1:1
2019-03-09 20:55:01.770958+0800 test[4171:428554] thread1:2
2019-03-09 20:55:02.771687+0800 test[4171:428556] thread2
2019-03-09 20:55:02.772258+0800 test[4171:428554] thread1:3

在线程1中的加锁使用了lock，是不需要条件的，所以顺利的就锁住了。
unlockWithCondition:在开锁的同时设置了一个整型的条件 2 。
线程2则需要一把被标识为2的钥匙，所以当线程1循环到 i = 2 时，线程2的任务才执行。
NSConditionLock也跟其它的锁一样，是需要lock与unlock对应的，只是lock,lockWhenCondition:与unlock，unlockWithCondition:是可以随意组合的

10. @synchronized 关键字加锁互斥锁，性能较差不推荐使用

@synchronized(这里添加一个OC对象，一般使用self) {
需要执行的代码
}
注意点
1. 加锁的代码尽量少
2. 添加的OC对象必须在多个线程中都是同一对象
3. 优点是不需要显式的创建锁对象，便可以实现锁的机制
4. @synchronized块会隐式的添加一个异常处理例程来保护代码，该处理例程会在异常抛出的时候自动的释放互斥锁。所以如果不想让隐式的异常处理例程带来额外的开销，你可以考虑使用锁对象

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self testLock];
    
}

- (void)testLock {
    //设置票的数量为5
    _tickets = 5;
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.test.a", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    //线程1
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });
    
    //线程2
    dispatch_async(queue, ^{
        [self saleTickets];
    });
}

- (void)saleTickets
{
    while (1) {
        @synchronized(self) {
            [NSThread sleepForTimeInterval:1];
            if (_tickets > 0) {
                _tickets--;
                NSLog(@"剩余票数= %ld, Thread:%@",_tickets,[NSThread currentThread]);
            } else {
                NSLog(@"票卖完了  Thread:%@",[NSThread currentThread]);
                break;
            }
        }
    }
}

查看结果:

2019-03-09 11:11:56.351768+0800 test[2452:200838] 剩余票数= 4, Thread:<NSThread: 0x60400046ea00>{number = 3, name = (null)}
2019-03-09 11:11:57.357842+0800 test[2452:200842] 剩余票数= 3, Thread:<NSThread: 0x60000007af40>{number = 4, name = (null)}
2019-03-09 11:11:58.362985+0800 test[2452:200838] 剩余票数= 2, Thread:<NSThread: 0x60400046ea00>{number = 3, name = (null)}
2019-03-09 11:11:59.368940+0800 test[2452:200842] 剩余票数= 1, Thread:<NSThread: 0x60000007af40>{number = 4, name = (null)}
2019-03-09 11:12:00.374592+0800 test[2452:200838] 剩余票数= 0, Thread:<NSThread: 0x60400046ea00>{number = 3, name = (null)}
2019-03-09 11:12:01.375835+0800 test[2452:200842] 票卖完了  Thread:<NSThread: 0x60000007af40>{number = 4, name = (null)}
2019-03-09 11:12:02.380906+0800 test[2452:200838] 票卖完了  Thread:<NSThread: 0x60400046ea00>{number = 3, name = (null)}

可以看到除了 OSSpinLock 外，dispatch_semaphore 和 pthread_mutex 性能是最高的。苹果在新系统中已经优化了 pthread_mutex 的性能，所以它看上去和 OSSpinLock 差距并没有那么大了。

可以看到YYKit组件中YYCache 和 YYImageCoder大量使用 dispatch_semaphore pthread_mutex这两个锁

OSSpinLock自旋锁(虽然已经被证明不安全优先级翻转)，性能最高的锁。原理很简单，就是一直 do while 忙等。它的缺点是当等待时会消耗大量 CPU 资源，所以它不适用于较长时间的任务。对于内存缓存的存取来说，它非常合适。

dispatch_semaphore 是信号量，但当信号总量设为 1 时也可以当作锁来。在没有等待情况出现时，它的性能比 pthread_mutex 还要高，但一旦有等待情况出现时，性能就会下降许多。相对于 OSSpinLock 来说，它的优势在于等待时不会消耗 CPU 资源。对磁盘缓存来说，它比较合适。

不存在等待的情况，例如不涉及到磁盘这种文件读写，dispatch_semaphore性能很高，如果涉及到的任务等待时间较长，就需要用pthread_mutex(OSSpinLock不安全就可以先不用了)

iOS中常见的10种锁

首先看一下它们的性能对比：

1. OSSpinLock 自旋锁

2. os_unfair_lock iOS10以后代替自旋锁

3. dispatch_semaphore 信号量实现加锁

4. pthread_mutex 互斥锁

5. NSLock 互斥锁不能多次调用 lock方法,会造成死锁

6. NSCondition

7. pthread_mutex(recursive) 递归锁

8. NSRecursiveLock 递归锁

9. NSConditionLock 条件锁

10. @synchronized 关键字加锁互斥锁，性能较差不推荐使用

以上就是全部内容

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3. dispatch_semaphore 信号量实现加锁

4. pthread_mutex 互斥锁

5. NSLock 互斥锁 不能多次调用 lock方法,会造成死锁

6. NSCondition

7. pthread_mutex(recursive) 递归锁

8. NSRecursiveLock 递归锁

9. NSConditionLock 条件锁

10. @synchronized 关键字加锁 互斥锁，性能较差不推荐使用

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