常见多线程方案

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GCD

用同步的方式执行任务

dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

用异步的方式执行任务

dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

GCD源码：https://github.com/apple/swift-corelibs-libdispatch

队列

并发队列（Concurrent Dispatch Queue）

• 可以让多个任务并发（同时）执行（自动开启多个线程同时执行任务）
• 并发功能只有在异步（dispatch_async）函数下才有效

串行队列（Serial Dispatch Queue）

• 让任务一个接着一个地执行（一个任务执行完毕后，再执行下一个任务）

同步、异步、并发、串行

同步和异步主要影响：能不能开启新的线程

• 同步：在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力
• 异步：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力

并发和串行主要影响：任务的执行方式

• 并发：多个任务并发（同时）执行
• 串行：一个任务执行完毕后，再执行下一个任务

各种队列的执行效果

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使用sync函数往当前串行队列中添加任务，会卡住当前的串行队列（产生死锁）。

产生死锁：

// 队列引起的循环等待
dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{

});

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myqueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(queue, ^{
    dispatch_sync(queue, ^{ // sync 产生死锁
        
    });
});

队列组的使用

异步并发执行任务1、任务2，等任务1、任务2都执行完毕后，再回到主线程执行任务3。

dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myqueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    NSLog(@"任务1");
});

dispatch_group_async(group, queue, ^{
    NSLog(@"任务2");
});

dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
    NSLog(@"任务3");
});

多线程的安全隐患

资源共享

• 1块资源可能会被多个线程共享，也就是多个线程可能会访问同一块资源。
• 比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件。

当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题。

GNUstep

GNUstep 是GNU计划的项目之一，它将Cocoa的OC库重新开源实现了一遍。 虽然GNUstep不是苹果官方源码，但还是具有一定的参考价值

源码地址：http://www.gnustep.org/resources/downloads.php

线程同步方案

• OSSpinLock
• os_unfair_lock
• pthread_mutex
• dispatch_semaphore
• dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
• NSLock
• NSRecursiveLock
• NSCondition
• NSConditionLock
• @synchronized

OSSpinLock

OSSpinLock 叫做”自旋锁”，等待锁的线程会处于忙等（busy-wait）状态，一直占用着CPU资源。

• 目前已经不再安全，可能会出现优先级反转问题。
• 如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用着CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁。

#import <libkern/OSAtomic.h>

// 初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 尝试加锁（如果需要等待就不加锁，直接返回false；如果不需要等待就加锁，返回true）
bool result = OSSpinLockTry(&lock);
// 加锁
OSSpinLockLock(&lock);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);

os_unfair_lock

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。

#import <libkern/OSAtomic.h>

// 初始化
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
// 尝试加锁
// os_unfair_lock_trylock(&lock);
// 加锁
os_unfair_lock_lock(&lock);
// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&lock);

pthread_mutex

mutex叫做”互斥锁”，等待锁的线程会处于休眠状态。

/*
 * Mutex type attributes
 */
#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL        0
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK    1
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE     2
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT       PTHREAD_MUTEX_NORMAL

#import <pthread.h>

// 初始化锁的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
// 尝试加锁
// pthread_mutex_trylock(&mutex);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 销毁相关资源
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
pthread_mutex_destroy(&mutex);

pthread_mutex - 递归锁

递归锁允许同一个线程对一把锁进行 重复加锁

// 初始化锁的条件
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

pthread_mutex – 条件

// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
// NULL代表使用默认属性
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 初始化条件
pthread_cond_t condition;
pthread_cond_init(&condition, NULL);
// 等待条件（进入休眠，放开mutex锁；被唤醒后，会再次对mutex加锁）
pthread_cond_wait(&condition, &mutex);
// 激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&condition);
// 激活所有等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast(&condition);
// 销毁资源
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&condition);

NSLock、NSRecursiveLock

NSLock 是对 mutex 普通锁的封装

NSRecursiveLock 也是对 mutex递归锁的封装，API 和 NSLock 基本一致。

- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;

<NSLocking>
- (void)lock;
- (void)unlock;

NSCondition

NSCondition 是对 mutex 和 cond 的封装

- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;

NSConditionLock

NSConditionLock 是对 NSCondition 的进一步封装，可以设置具体的条件值。

<NSLocking>
- (void)lock;
- (void)unlock;

@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;

dispatch_semaphore

信号量的初始值，可以用来控制线程并发访问的最大数量。比如：信号量的初始值为1，代表同时只允许1条线程访问资源，保证线程同步。

// 信号量的初始值
int value = 1;
// 初始化信号量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
// 如果信号量的值<=0，当前线程就会进入休眠等待，直到信号量的值>0。
// 如果信号量的值>0，就减1，然后执行后面的代码。
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 让信号量的值加1
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

dispatch_queue

直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步的。

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("lock_queue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(queue, ^{
    
});

@synchronized

@synchronized 是对 mutex 递归锁的封装。源码查看 objc4 中的 objc-sync.mm 文件。

@synchronized(obj) 内部会生成 obj 对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作。

@synchronized (obj) {
    
}

线程同步方案性能比较

性能从高到低排序

• os_unfair_lock
• OSSpinLock
• dispatch_semaphore
• pthread_mutex
• dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
• NSLock
• NSCondition
• pthread_mutex(recursive)
• NSRecursiveLock
• NSConditionLock
• @synchronized

自旋锁、互斥锁比较

什么情况使用自旋锁比较划算？

• 预计线程等待锁的时间很短
• 加锁的代码（临界区）经常被调用，但竞争情况很少发生
• CPU资源不紧张
• 多核处理器

什么情况使用互斥锁比较划算？

• 预计线程等待锁的时间较长
• 单核处理器
• 临界区有IO操作
• 临界区代码复杂或者循环量大
• 临界区竞争非常激烈

atomic

atomic 用于保证属性 setter、getter 的原子性操作，相当于在 getter 和 setter 内部加了线程同步的锁。

可以参考源码 objc4 的 objc-accessors.mm 文件

它并不能保证使用属性的过程是线程安全的

读写安全方案

多读单写

• 同一时间，只能有1个线程进行写的操作。
• 同一时间，允许有多个线程进行读的操作。
• 同一时间，不允许既有写的操作，又有读的操作。

pthread_rwlock

//#import <pthread.h>
    
// 初始化锁
pthread_rwlock_t lock;
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
// 读-加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读-尝试加锁
pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);
// 写-加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写-尝试加锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 销毁
pthread_rwlock_destroy(&lock);

dispatch_barrier_async

这个函数传入的并发队列必须是自己通过 dispatch_queue_cretate 创建的。

如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列，那这个函数便等同于 dispatch_async 函数的效果。

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

// 读
dispatch_async(queue, ^{
    
});

// 写
dispatch_barrier_async(queue, ^{
    
});