iOS开发中的锁

作者: 赵梦楠 | 来源:发表于2017-12-07 16:39 被阅读126次

前言

在多线程开发中，常会遇到多个线程访问修改数据。为了防止数据不一致或数据污染，通常采用加锁机制来保证线程安全。

概述

锁是多线程开发中最基本的同步工具。开发中常用的锁通常分为以下几种类型：

Mutex(互斥锁): 互斥锁是一种信号量，一次只能访问一个线程如果一个互斥体正在使用，而另一个线程试图获取它，则该线程将阻塞，直到互斥体被其原始持有者释放。如果多个线程竞争同一个互斥体。则一次只允许一个线程访问它。
Recursive lock(递归锁)：递归锁是互斥锁的变体。递归锁允许单个线程在释放之前多次获取锁。其他线程保持阻塞状态。直到锁的所有者释放锁的次数与获取它的次数相同，递归锁主要在递归中使用，但也可能在多个方法需要单独获取锁的情况下使用。
Spin lock(自旋锁): 自旋锁重复其锁定条件，直到该条件成立。自旋锁最常用于多处理器系统，其中锁的预期等待时间很短。在这些情况下，轮询通常比阻塞线程更高效，这涉及到上下文切换和线程数据结构的更新。
Read-write lock(读写锁)：读写锁也被称为Shared-exclusive lock。通常用于较大规模的操作，适用于数据结构被频繁读取和偶尔修改，可以显着提高性能。在正常操作期间，多个线程可以同时访问数据。当一个线程想要写入数据时会阻塞，直到所有的读取线程释放锁。此时，写入线程才能获取锁，并修给数据。写入线程在锁定时，新的线程将被阻塞，直到写入线程完成。
Distributed lock(分布式锁): 分布式锁提供进程级别的互斥访问。与真正的互斥锁不同，分布式锁不会阻塞进程或阻止进程运行。它只是报告锁何时忙，让流程决定如何进行。

Double-checked lock(双重检查锁): 双重检查锁试图通过在锁定之前测试锁定标准来降低锁定的开销。由于双重检查的锁可能是不安全的，系统不提供对它们的明确的支持，并且它们的使用是不鼓励的。

以上大致介绍了锁的分类，下面将介绍Objective-C中各种实现锁的方式。

一、@synchronized指令

简介

@synchronized指令是Objective-C中易用性和可读性最好的创建互斥锁的方式。我们不用去直接创建锁和锁定对象，它会像其它互斥锁一样，防止其它线程获取同一个锁。传递给@synchronized的对象是区分保护块的唯一标识。它的简单用法是这样

- （void）myMethod：（id）anObj
{
    @synchronized（anObj）
    {
        //需要加锁的内容
    }
}

实现原理

编译器将@synchronized转化成了一对objc_sync_enter()和objc_sync_exit()的调用，通过查看源码我们可以分析得出：

@synchronized是通过recursive_mutex_t递归锁实现；
@synchronized（object)中传入的object的内存地址，被用作唯一的key，通过hash map对应到一个系统维护的递归锁；
objc_sync_enter()和objc_sync_exit()并没有对传入的对象做retains和releases;
objc_sync_enter(nil)和objc_sync_exit(nil)不起任何作用；

详细的分析可以参见这篇博客：正确使用多线程同步锁@synchronized()。

使用注意

通过上面的分析，我们可以得出@synchronized使用中应该注意的几个问题

因为@synchronized使用递归锁实现的，所以如下代码不会产生死锁；

@synchronized (obj) {
    NSLog(@"1st sync");
    @synchronized (obj) {
        NSLog(@"2nd sync");
    }
}

因为是利用传入的object的内存地址作为唯一标识，所以传入的object理论上可以是任意对象，但应避免不同的critical section使用相同的锁，应该是不同的数据使用不同的锁；

@synchronized (objectA) {
    [arrA addObject:obj];
}

@synchronized (objectB) {
    [arrB addObject:obj];
}

应该注意传入对象的生命周期，因为@synchronized（object）并没有对object进行retains，因此当@synchronized（nil）时，将不起任何作用；
注意@synchronized（object）内部的方法调用，将不需要同步操作的方法放在外面调用；
另外官方文档中提到 :

作为预防措施，@synchronized块隐式地向受保护的代码添加异常处理程序。如果引发异常，该处理程序会自动释放互斥锁。这意味着为了使用@synchronized指令，还必须在代码中启用Objective-C异常处理。如果您不想由隐式异常处理程序引起额外开销，则应考虑使用锁类。

二、pthread_mutex

简介

pthread 表示 POSIX thread，定义了一组跨平台的线程相关的 API，pthread_mutex 表示互斥锁。相关函数：

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_getprioceiling(const pthread_mutex_t * __restrict,
        int * __restrict);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * __restrict,
        const pthread_mutexattr_t * _Nullable __restrict);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_setprioceiling(pthread_mutex_t * __restrict, int,
        int * __restrict);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *);

pthread_mutex 可通过宏定义静态初始化pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
动态方式是采用int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr)函数来初始化互斥锁，mutexattr用于指定属性，如果为NULL则使用缺省属性。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)函数用于销毁一个互斥锁，这意味着释放它所占用的资源，且要求锁当前处于开放状态。
pthread_mutex有PTHREAD_MUTEX_NORMAL（普通互斥锁）、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK（检错锁）和PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE（递归锁等属性；

它的简单用法如下：

    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);// 定义锁的属性

    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutex_init(&mutex, &attr); // 创建锁

    pthread_mutex_lock(&mutex); // 申请锁
    
    //需要加锁的代码
    
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放锁

使用注意

同一线程，多次获得同一锁时，会造成死锁，此时应使用PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE属性。

三、pthread_rwlock

简介

pthread_rwlock是pthread中定义的读写锁，相关函数如下：

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t * ) __DARWIN_ALIAS(pthread_rwlock_destroy);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t * __restrict,
        const pthread_rwlockattr_t * _Nullable __restrict)
        __DARWIN_ALIAS(pthread_rwlock_init);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *) __DARWIN_ALIAS(pthread_rwlock_rdlock);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *) __DARWIN_ALIAS(pthread_rwlock_tryrdlock);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *) __DARWIN_ALIAS(pthread_rwlock_trywrlock);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *) __DARWIN_ALIAS(pthread_rwlock_wrlock);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *) __DARWIN_ALIAS(pthread_rwlock_unlock);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlockattr_destroy(pthread_rwlockattr_t *);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlockattr_getpshared(const pthread_rwlockattr_t * __restrict,
        int * __restrict);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlockattr_init(pthread_rwlockattr_t *);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_rwlockattr_setpshared(pthread_rwlockattr_t *, int);

与pthread_mutex 类似，pthread_rwlock也可以通过宏定义快速初始化:pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
也可以通过int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t * __restrict, const pthread_rwlockattr_t * _Nullable __restrict)初始化，其中pthread_rwlockattr_t是属性对象；
属性对象可以通过int pthread_rwlockattr_init (pthread_rwlockattr_t *__attr);初始化。同时可以通过int pthread_rwlockattr_setpshared(pthread_rwlockattr_t *, int)用来设置读写锁的作用范围，这里需要的int类型有两个宏定义PTHREAD_PROCESS_SHARED：该读写锁可以在多个进程中的线程之间共享。PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：仅初始化本读写锁的线程所在的进程内的线程才能够使用该读写锁。

使用注意

由于读写锁的性质，必须要等到所有读锁都释放之后，才能成功申请写锁，这就很容易导致写线程饥饿。

四、NSLock

简介

NSLock是典型的面向对象的锁，遵循Objective-C的NSLocking协议接口，该协议定义了lock和unlock。此外NSLock类还增加了tryLock 和 lockBeforeDate:方法。tryLock方法尝试获取锁，如果锁不可用返回NO。lockBeforeDate:尝试在指定时间内获取锁，如不成功返回NO。

    NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
    //线程1
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        NSLog(@"线程1 准备加锁ing...");
        [lock lock];
        NSLog(@"线程1 锁定成功");
        sleep(5);//睡眠5秒
        NSLog(@"线程1 准备解锁");
        [lock unlock];
        NSLog(@"线程1 解锁成功");
    });
    
    //线程2
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        NSLog(@"线程2 尝试加锁ing...");
        BOOL x =  [lock lockBeforeDate:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:4]];
        if (x) {
            NSLog(@"线程2 锁定成功");
            [lock unlock];
            NSLog(@"线程2 解锁成功");
        }else{
            NSLog(@"线程2 加锁失败");
        }
    });

实现原理

NSLock是在内部封装了一个 pthread_mutex，属性为PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，它会损失一定性能换来错误提示。

使用注意

向NSLock对象发送解锁消息时，必须确保该消息是从发送初始锁定消息的同一线程发送的。解锁来自不同线程的锁可能会导致未定义的行为。
在同一线程上两次调用lock方法，会造成死锁，因此在递归中不能使用NSLock。应使用NSRecursiveLock。

五、NSRecursiveLock

简介

NSRecursiveLock是面向对象的递归锁，同样遵循Objective-C的NSLocking协议接口。该锁可被同一线程多次获取，而不会造成死锁。只是记录获取锁成功的次数，只有调用解锁的次数与锁定次数相同时，锁才会被真正释放，此时才能被其它线程获取。

NSRecursiveLock *rLock = [NSRecursiveLock new];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    static void (^RecursiveBlock)(int);
    RecursiveBlock = ^(int value) {
        [rLock lock];
        if (value > 0) {
            NSLog(@"线程%d", value);
            RecursiveBlock(value - 1);
        }
        [rLock unlock];
    };
    RecursiveBlock(4);
});

实现原理

NSRecursiveLock递归锁也是通过 pthread_mutex 来实现，与 NSLock 的区别在于内部封装的 pthread_mutex_t 对象的类型为 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE。

使用注意

因为在所有锁定调用与解锁调用保持平衡之前，递归锁定不会被释放，所以我们应该仔细衡量使用递归锁潜在性能影响。长时间保持锁可能导致其他线程阻塞，直到递归完成。如果可以，我们应该从代码设计上尽量避免递归锁。

六、NSCondition

简介

NSCondition同样遵循NSLocking协议，NSCondition提供了单独的信号量管理接口。

- (void)wait;//阻塞当前线程直到条件锁发出信号为止，在调用此方法之前必须锁定接收器。
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;//阻塞当前线程直到条件锁发出信号或达到指定的时间限制为止。
- (void)signal;//条件锁的信号，唤醒一个等待的线程，可多次调用唤醒多个线程，如没有被锁定的线程，则不起任何作用。为了避免竞争条件锁，应该仅在接收器锁定时调用此方法。
- (void)broadcast;//唤醒全部等待的线程。

实现原理

NSCondition是通过条件变量(condition variable) pthread_cond_t 来实现的，同时封装了一个互斥锁和条件变量。提供了线程阻塞与信号机制。

使用注意

因NSCondition是通过条件变量实现，而条件变量必须和一个互斥锁配合, 以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()的竞争条件。所以在调用wait或waitUntilDate方法前，必须在本线程调用lock方法，确保当前线程为锁定状态；
wait函数并不是完全可信的，可能存在虚假唤醒。也就是说wait返回后，并不代表对应的事件一定被触发了，因此，为了保证线程之间的同步关系，使用NSCondtion时往往需要加入一个额外的变量来对非正常的wait返回进行规避。

//等待事件触发的线程  
[cocoaCondition lock];  
while (timeToDoWork <= 0)  
    [cocoaCondition wait];  
   
timeToDoWork--;  
   
// Do real work here.     
[cocoaCondition unlock];  

  
//出发事件的线程  
[cocoaCondition lock];  
timeToDoWork++;  
[cocoaCondition signal];  
[cocoaCondition unlock];

经笔者测试，当多个线程被阻塞时，通过调用signal进行唤醒操作，线程被唤醒的顺序与wait的调用顺序相关，而与线程的优先级无关。

        NSLog(@"thread1：等待发送1");
        [cocoaCondition lock];
        [cocoaCondition wait];
        
        NSLog(@"thread1:发送1");
        [self.condition unlock];
        
    });
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0), ^{
        sleep(1);
        
        NSLog(@"thread2：等待发送2");
        [cocoaCondition lock];
        [cocoaCondition wait];
        
        NSLog(@"thread2:发送2");
        [cocoaCondition unlock];
        
    });
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(2);
        [cocoaCondition lock];
        NSLog(@"thread3：收到数据");
        [cocoaCondition signal];
        [cocoaCondition unlock];
        
    });
    

    打印结果：
     thread1：等待发送1
     thread2：等待发送2
     thread3：收到数据
     thread1:发送1

七、NSConditionLock

简介

NSConditionLock遵循NSLocking协议，可以与用户自定义的条件相关联的互条件锁，是互斥锁的变种。提供了更加直观、方便的条件管理接口，可以更方便的实现生产者-消费者模式。

- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition;//初始化一个条件锁，并设置条件；
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;//当条件满足时，获取锁。
- (BOOL)tryLock;//不考虑条件，直接尝试获取锁，成功返回YES，反之为NO。
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;//条件满足时尝试锁定，成功返回YES，反之为NO。
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;//解锁并重新设置条件。
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;//在限制期限内获取锁，成功返回YES，反之为NO。
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;//当条件满足时，在指定期限内获取锁，此方法会阻塞线程，直达获取锁（返回YES）或超时（返回NO）。

NSConditionLock可以很方便的实现线程间的依赖关系：

    id condLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:0];
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        [condLock lockWhenCondition:2];
        NSLog(@"线程1");
        [condLock unlockWithCondition:0];
        
    });
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        [condLock lockWhenCondition:1];
        NSLog(@"线程2");
        [condLock unlockWithCondition:2];
        
    });
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        [condLock lockWhenCondition:0];
        NSLog(@"线程3");
        [condLock unlockWithCondition:1];
        
    });
    
    打印结果：
    线程3
    线程2
    线程1

实现原理

NSConditionLock 借助 NSCondition 来实现内部持有一个NSCondition对象，和一个_condition_value属性，调用lockWhenCondition:时，只有_condition_value条件值相等时，才能获得锁。

八、dispatch_semaphore

简介

dispatch_semaphore信号量，GCD中基于信号控制访问资源的线程数量。当限定的线程数量为一时，就起到了和同步锁相同的效果；信号量主要的函数如下：

dispatch_semaphore_create(long value);//用初始值创建新的计数信号量。注意：value值必须>=0，否则返回NULL。
dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout);//等待（递减）信号量。
dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema);//信号（增加）信号量。

信号量的简单用法如下：

    //value表示最多几个资源可访问
    dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(3);
    dispatch_queue_t quene = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    
    //线程1
    dispatch_async(quene, ^{
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        NSLog(@"线程1：启动");
        sleep(1);
        NSLog(@"线程1：完成");
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
    //线程2
    dispatch_async(quene, ^{
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        NSLog(@"线程2：启动");
        sleep(1);
        NSLog(@"线程2：完成");
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
    //线程3
    dispatch_async(quene, ^{
        dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
        NSLog(@"线程3：启动");
        sleep(1);
        NSLog(@"线程3：完成");
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
    
    当value = 3时，打印结果：
    线程1：启动
    线程2：启动
    线程3：启动
    
    线程1：完成
    线程2：完成
    线程3：完成
    
    当value = 2时，打印结果：
    线程1：启动 
    线程2：启动
 
    线程1：完成
    线程2：完成
    线程3：启动
    
    线程3：完成
    
    当value = 1时，打印结果：
    线程1：启动
    
    线程1：完成
    线程2：启动
    
    线程2：完成
    线程3：启动
    
    线程3：完成

当信号计数大于0时，每条进来的线程使调用dispatch_semaphore_wait函数使计数减1；直到信号技术为0，阻塞其他线程，直到执行的线程调用dispatch_semaphore_signal函数使级数加1，信号技术大于0，允许阻塞的线程启动；可见，当信号计数控制为1时，可实现同步锁的作用。

实现原理

想要深入的理解dispatch_semaphore，可以参考这篇博客和源码。

使用注意

创建信号量时，传入的value参数必须>=0，否则返回NULL；
timeout参数为dispatch_time_t类型。比较有用的两个宏是DISPATCH_TIME_NOW(表示当前，立即返回超时)和DISPATCH_TIME_FOREVER (表示遥远的未来，一直等待下去)。一般可以直接设置timeout为这两个宏其中的一个，或者自己创建一个dispatch_time_t类型的变量。创建dispatch_time_t类型的变量有两种方法，dispatch_time和dispatch_walltime。
通过dispatch_semaphore特征我们不难发现，它不支持递归。

九、OSSpinLock

简介

OSSpinLock是iOS/MacOS自有的自旋锁，其特点是线程在等待取锁时，不会被挂起，而是保持空转，这避免了上下文切换等锁的操作。适用于临界区耗时短的操作，如果等待取锁的时间过长，轮训操作会消耗大量CPU资源。其主要函数和简单适用如下：

typedef int32_t OSSpinLock;

bool    OSSpinLockTry( volatile OSSpinLock *__lock );

void    OSSpinLockLock( volatile OSSpinLock *__lock );

void    OSSpinLockUnlock( volatile OSSpinLock *__lock );

__block OSSpinLock spinLock = OS_SPINLOCK_INIT;
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        OSSpinLockLock(& spinLock);
        NSLog(@"线程1");
        sleep(10);
        OSSpinLockUnlock(& spinLock);
        NSLog(@"线程1解锁成功");
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(1);
        OSSpinLockLock(& spinLock);
        NSLog(@"线程2");
        OSSpinLockUnlock(& spinLock);
    });

因优先级反转的问题，在不同优先级的线程中OSSpinLock已不在安全，详细的介绍可参见这篇博客不再安全的 OSSpinLock,这里不在做过多介绍。

性能对比

这里贴出一张ibireme测试的结果图：

性能对比

总结

以上介绍的几种加锁方式，在原理、用法和性能等方面上各有不同。我们不能单从性能方面评论孰好孰坏。应该根据不同的需求和场景，选取合适的加锁方式。

对性能要求苛刻，且临界区耗时很短，可以考虑自旋锁；
同样对性能要求高，dispatch_semaphore和pthread_mutex也是不错的选择；
如果要临界区有大量的读写操作，且读多写少，那么pthread_rwlock或许是不错的选择；
NSLock和NSRecursiveLock更加面向对象，用起来或许跟顺手；
NSConditionLock虽然性能不强，但是提供了方便的面向对象的条件管理接口；
在递归中使用pthread_mutex(recursive)和NSRecurisiveLcok都不错；
@synchronized虽然性能最差，但是操作简单快捷，如果是低频操作，或者紧急修复，它也是很好的选择；

参考资料

Synchronization

More than you want to know about @synchronized

pthread_mutex_lock.c 源码

iOS开发中的锁

前言

概述

一、@synchronized指令

简介

实现原理

使用注意

二、pthread_mutex

简介

使用注意

三、pthread_rwlock

简介

使用注意

四、NSLock

简介

实现原理

使用注意

五、NSRecursiveLock

简介

实现原理

使用注意

六、NSCondition

简介

实现原理

使用注意

七、NSConditionLock

简介

实现原理

八、dispatch_semaphore

简介

实现原理

使用注意

九、OSSpinLock

简介

性能对比

总结

参考资料

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