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作者: 张霸天 | 来源:发表于2016-12-22 16:16 被阅读0次

iOS中的多线程——锁

题记：虽然有些事情的发生可能是你预料之中的，但是当它真正的发生了的时候，还是很难以接受的，还是需要一点时间，去缓和这种消极的情绪，尽快站起来吧！加油！花了一天半的时间，各种查阅资料，总结了iOS中关于线程锁的知识，希望我能从中学到一些，也希望可以帮到同样有需要的你！（文中如有错误，还请提出，一起交流）

本文主要介绍：

互斥锁
递归锁
读写锁
自旋锁
分布锁
条件变量
信号量
栅栏
一些常用锁的性能。

1. 互斥锁(Mutex)

常用，当一个线程试图获取被另一个线程占用的锁时，它就会被挂起，让出CPU，直到该锁被释放。

互斥锁的实现方式：

@synchronized：实现单例模式
NSLock：不能迭代加锁，如果发生两次lock，而未unlock过，则会产生死锁问题。

1.@synchronized 同步锁

当然在Objective-C中你还可以用@synchronized指令快速的实现锁：

//主线程中
TestObj *obj = [[TestObj alloc] init];

//线程1
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    @synchronized(obj){
        [obj method1];
        sleep(10);
    }
});

//线程2
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    sleep(1);
    @synchronized(obj){
        [obj method2];
    }
});

@synchronized指令使用的obj为该锁的唯一标识，只有当标识相同时，才为满足互斥，如果线程2中的@synchronized(obj)改为@synchronized(other),刚线程2就不会被阻塞，@synchronized指令实现锁的优点就是我们不需要在代码中显式的创建锁对象，便可以实现锁的机制，但作为一种预防措施，@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。

常用于单例模式的设计：

例程:

+(instancetype)shareInstance{
  // 1.定义一个静态实例，初值nil
  static TestSynchronized *myClass = nil;
  // 2.添加同步锁，创建实例
  @synchronized(self) {
      // 3.判断实例是否创建过，创建过则退出同步锁，直接返回该实例
      if (!myClass) {
          // 4.未创建过，则新建一个实例并返回
          myClass = [[self alloc] init];
      }
  }
  return myClass;
}

此时为了保证单例模式的更加严谨，需要重写allocWithZone方法，保证其他开发者使用alloc和init方法时，不再创建新的对象。必要的时候还需要重写copyWithZone方法防止copy属性对单例模式的影响。

iOS中还有一种更加轻便的方法实现单例模式，即使用GCD中的dispatch_once函数实现。

例程：

+(instancetype)shareInstance{
    static TestSynchronized *myClass = nil;
    static dispatch_once_t once_token;
    dispatch_once(&once_token, ^{
        myClass = [[self alloc] init];
    });
    return myClass;
}

2.NSLock

例程：

static NSLock *mylock;
-(void)viewDidLoad {
  [super viewDidLoad];
  mylock = [[NSLock alloc] init];
}
-(void)myLockTest1{
  if ([mylock tryLock]) {
      // to do something
      [mylock unlock];
  }
}
-(void)myLockTest2{
  [mylock lock];
  // to do something
  [mylock unlock];
}

2. 递归锁(Recursive Lock)

递归锁可以被同一线程多次请求，而不会引起死锁，即在多次被同一个线程进行加锁时，不会造成死锁。这主要是用在循环或递归操作中。

可以允许同一线程多次加锁，而不会造成死锁。

递归锁会跟踪它被lock的次数。每次成功的lock都必须平衡调用unlock操作。只有所有达到这种平衡，锁最后才能被释放，以供其它线程使用。

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。

NSRecursiveLock *myRecursiveLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      static void (^MyRecursiveLockBlk)(int value);
      MyRecursiveLockBlk = ^(int value){
          [myRecursiveLock lock];
          if (value > 0) {
              // to do something
              NSLog(@"MyRecursiveLockBlk value = %d", value);
              MyRecursiveLockBlk(value - 1);
          }
          [myRecursiveLock unlock];
      };
      MyRecursiveLockBlk(6);
  });

此时如果将例程中的递归锁换成互斥锁：

NSRecursiveLock *myRecursiveLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];换成
NSLock *myLock = [[NSLock alloc] init];，则会发生死锁问题。

3. 读写锁(Read-write Lock)

读写锁将访问者分为读出和写入两种，当读写锁在读加锁模式下，所有以读加锁方式访问该资源时，都会获得访问权限，而所有试图以写加锁方式对其加锁的线程都将阻塞，直到所有的读锁释放。

当在写加锁模式下，所有试图对其加锁的线程都将阻塞。

#import "ViewController.h"
#import <pthread.h>
@interface ViewController ()
@property(nonatomic, copy) NSString *rwStr;
@end
@implementation ViewController
pthread_rwlock_t rwlock;
-(void)viewDidLoad {
  [super viewDidLoad];
  // 初始化读写锁
  pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);
  __block int i;
  dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      i = 5;
      while (i>=0) {
          NSString *temp = [NSString stringWithFormat:@"writing == %d", i];
          [self writingLock:temp];
          i--;
      }  
  });
  dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      i = 5;
      while (i>=0) {
          [self readingLock];
          i--;
      }
  });
}
// 写加锁
-(void)writingLock:(NSString *)temp{
  pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
  // writing
  self.rwStr = temp;
  NSLog(@"%@", temp);
  pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
}
// 读加锁
-(NSString *)readingLock{
  pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
  // reading
  NSString *str = self.rwStr;
  NSLog(@"reading == %@",self.rwStr);
  pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
  return str;
}
@end

4. 自旋锁(Spin Lock)

自旋锁与互斥锁类似
但不同的是：自旋锁是非阻塞的，当一个线程无法获取自旋锁时，会自旋，直到该锁被释放，等待的过程中线程并不会挂起。（实质上就是，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在等待该自旋锁的保持着已经释放了锁）。
自旋锁的使用者一般保持锁的时间很短，此时其效率远高于互斥锁。

自旋锁保持期间是抢占失效的

优点：效率高，不用进行线程的切换

缺点：如果一个线程霸占锁的时间过长，自旋会消耗CPU资源

// 头文件
#import <libkern/OSAtomic.h>
// 初始化自旋锁
static OSSpinLock myLock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 自旋锁的使用
-(void)SpinLockTest{
  OSSpinLockLock(&myLock);
  // to do something
  OSSpinLockUnlock(&myLock);
}

5. 分布锁(Didtributed Lock)（进程间用的，不是线程）

跨进程的分布式锁，是进程间同步的工具，底层是用文件系统实现的互斥锁，并不强制进程休眠，而是起到告知的作用。
NSDistributedLock没有实现NSLocking协议，所以没有会阻塞线程的lock方法，取而代之的是非阻塞的tryLock方法来获取锁，用unlock方法释放锁。
如果一个获取锁的进程在释放锁之前就退出了，那么锁就一直不能释放，此时可以通过breakLock强行获取锁。

6. 条件变量(Condition Variable)

使用情况：如果一个线程需要等待某一条件出现才能继续执行，而这个条件是由别的线程产生的，这个时候就用到条件变量。常见的情况是：生产者-消费者问题。
条件变量可以让一个线程等待某一条件，当条件满足时，会收到通知。在获取条件变量并等待条件发生的过程中，也会产生多线程的竞争，所以条件变量通常和互斥锁一起工作。
NSCondition：是互斥锁和条件锁的结合，即一个线程在等待signal而阻塞时，可以被另一个线程唤醒，由于操作系统实现的差异，即使没有发送signal消息，线程也有可能被唤醒，所以需要增加谓词变量来保证程序的正确性。
NSConditionLock：与NSCondition的实现机制不一样，当定义的条件成立的时候会获取锁，反之，释放锁。

NSCondition的例程：

// 创建锁
NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init];
static int count = 0;
// 生产者
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
  while(count<20)
  {
      [condition lock];
      // 生产
      count ++;
      NSLog(@"生产 = %d",count);
      [condition signal];
      [condition unlock];
  }
});
// 消费者
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
  while (count>]]>0)
  {
      [condition lock];
      // 消耗
      count --;
      NSLog(@"消耗剩余 = %d",count);
      [condition unlock];
  }
});

NSConditionLock的例程：

// 创建锁 
NSConditionLock *condLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:ConditionHASNOT];
static int count = 0; 
// 生产者
while(true) {  
  [condLock lock];  
  // 生产   
  count ++;   
  [condLock unlockWithCondition:ConditionHAS]; 
} 
  // 消费者 
while (true) {   
  [condLock lockWhenCondition:ConditionHAS];   
  // 消耗   
  count --;   
  [condLock unlockWithCondition:(count<=0 ? ConditionHASNOT : ConditionHAS)];
}

7. 信号量(Semaphore)

信号量：可以是一种特殊的互斥锁，可以是资源的计数器
可以使用GCD中的Dispatch Semaphore实现，Dispatch Semaphore是持有计数的信号，该计数是多线程编程中的计数类型信号。计数为0时等待，计数大于等于1时，减1为不等待。

8. 栅栏/屏障(Barrier)

栅栏必须单独执行，不能与其他任务并发执行，栅栏只对并发队列有意义。
栅栏只有等待当前队列所有并发任务都执行完毕后，才会单独执行，带起执行完毕，再按照正常的方式继续向下执行。

iOS中线程锁的性能对比：

No1.自旋锁OSSpinLock耗时最少
No2.pthread_mutex
No3.NSLock/NSCondition/NSRecursiveLock 耗时接近
No4.@synchronized
No5.NSConditionLock
栅栏的性能并没有很好，在实际开发中也很少用到（笔者在最近一次面试中就遇到，问栅栏的性能怎么样？当时并不知道栅栏在实际应用中的性能并不是很理想，又被问到苹果官方常使用的锁是什么？应该是自旋锁，然而笔者当时还是不知道。。。）