iOS-底层原理(23)-多线程的安全隐患+11种同步解决方案

作者: 路飞_Luck | 来源:发表于2018-09-16 22:45 被阅读40次

一多线程的安全隐患

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

代码例子如下

/** 卖1张票 */
- (void)saleTicket {
    int oldTicketsCount = self.ticketsCount;
    sleep(.2);
    oldTicketsCount--;
    self.ticketsCount = oldTicketsCount;
    
    NSLog(@"还剩%d张票 - %@", oldTicketsCount, [NSThread currentThread]);
}

/** 卖票演示 */
- (void)ticketTest {
    self.ticketsCount = 15;
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    // 窗口一
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    // 窗口二
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    // 窗口三
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
}

执行结果

image.png

多线程安全隐患分析

image.png

二多线程安全隐患的解决方案

解决方案：使用线程同步技术（同步，就是协同步调，按预定的先后次序进行）
常见的线程同步技术是：加锁

image.png

三 iOS中的线程同步方案

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

各种同步方案实现如下

3.1 `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
需要导入头文件#import <libkern/OSAtomic.h>
重要方法
- OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT; 初始化锁
- bool result = OSSpinLockTry(&_lock); 尝试加锁(如果需要等待,就不尝试加锁,直接返回false,如果不需要等待就加锁,返回true)
- OSSpinLockLock(&_lock);// 加锁
- OSSpinLockUnlock(&_lock); //解锁

代码例子如下

#import <libkern/OSAtomic.h>
@property (assign, nonatomic) OSSpinLock lock;

// 初始化锁
self.lock = OS_SPINLOCK_INIT;

/** 卖1张票 */
- (void)saleTicket {
    // 加锁
    OSSpinLockLock(&_lock);
    
    int oldTicketsCount = self.ticketsCount;
    sleep(.2);
    oldTicketsCount--;
    self.ticketsCount = oldTicketsCount;
    
    NSLog(@"还剩%d张票 - %@", oldTicketsCount, [NSThread currentThread]);
    
    // 解锁
    OSSpinLockUnlock(&_lock);
}

执行结果

image.png

3.2 `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
需要导入头文件#import <os/lock.h>
重要方法
- os_unfair_lock moneyLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT; //初始化
- os_unfair_lock_trylock(&_ticketLock); // 尝试加锁
- os_unfair_lock_lock(&_ticketLock); // 加锁
- os_unfair_lock_unlock(&_ticketLock); // 解锁

3.3 `pthread_mutex`

mutex叫做”互斥锁”，等待锁的线程会处于休眠状态
需要导入头文件#import <pthread.h>
重要方法

// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 尝试加锁
pthread_mutex_trylock(&_ticketMutex);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&_ticketMutex);
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

3.4 `pthread_mutex`递归锁实现

- (void)__initMutex:(pthread_mutex_t *)mutex {
    // 递归锁：允许同一个线程对一把锁进行重复加锁
    
    // 初始化属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_init(mutex, &attr);
    // 销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
}

调用

- (void)otherTest {
    pthread_mutex_lock(&_mutex);
    NSLog(@"%s", __func__);
    
    static int count = 0;
    if (count < 10) {
        count++;
        [self otherTest];
    }
    
    pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

打印结果

image.png

3.5 `pthread_mutex` – 条件

image.png

3.6 `NSLock`

NSLock是对mutex普通锁的封装

重要方法如下

NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];初始化
[lock lock] 加锁
[lock unlock] 解锁

3.7 `NSRecursiveLock`

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

3.8 `NSCondition`

NSCondition是对mutex和cond的封装
重要方法

@interface NSCondition: NSObject <NSLocking>
- (void)wait;   // 等待
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;  // 只等待到什么时候
- (void)signal; // 发信号
- (void)broadcast;  // 发广播
@end

代码例子如下

- (void)otherTest {
    // remove和add方法不确定谁先执行
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__remove) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__add) object:nil] start];
}

// 删除数组中的元素
- (void)__remove {
    [self.condition lock];
    NSLog(@"__remove - begin");
    
    if (self.data.count == 0) {
        // 等待
        [self.condition wait];
    }
    
    [self.data removeLastObject];
    NSLog(@"删除了元素");
    
    [self.condition unlock];
}

// 线程2
// 往数组中添加元素
- (void)__add {
    [self.condition lock];
    
    sleep(1);
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    NSLog(@"添加了元素");
    
    // 信号
    NSLog(@"发出信号");
    [self.condition signal];
    // 广播
//    [self.condition broadcast];
    
    sleep(2);
    
    [self.condition unlock];
}

运行结果

image.png

更改执行顺序

// 往数组中添加元素
- (void)__add {
    [self.condition lock];
    
    sleep(1);
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    NSLog(@"添加了元素");
    
    [self.condition unlock];
    
    sleep(2);
    
    // 信号
    NSLog(@"发出信号");
    [self.condition signal];
    // 广播
//    [self.condition broadcast];
}

运行结果

image.png

wait不仅仅需要接受到信号后才能执行，而且必须具备加锁条件，这个时候才会接着往下执行。

3.9 `NSConditionLock`

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

image.png

代码例子如下

@property (strong, nonatomic) NSConditionLock *conditionLock;

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
//        [[NSConditionLock alloc] init]; // 默认为0
        self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];
    }
    return self;
}

- (void)otherTest {
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__one) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__two) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__three) object:nil] start];
}

- (void)__one {
    [self.conditionLock lockWhenCondition:1];
    
    NSLog(@"__one");
    sleep(1);
    
    [self.conditionLock unlockWithCondition:2];
}

- (void)__two {
    [self.conditionLock lockWhenCondition:2];
    
    NSLog(@"__two");
    sleep(1);
    
    [self.conditionLock unlockWithCondition:3];
}

- (void)__three {
    [self.conditionLock lockWhenCondition:3];
    
    NSLog(@"__three");
    
    [self.conditionLock unlock];
}

执行结果

image.png

3.10 `dispatch_queue`

直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步的

image.png

代码例子如下

@property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t ticketQueue;

self.ticketQueue = dispatch_queue_create("ticketQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

- (void)__saleTicket {
    dispatch_sync(self.ticketQueue, ^{
        [super __saleTicket];
    });
}

3.10 `dispatch_semaphore`

nsemaphore叫做信号量
信号量的初始值，可以用来控制线程并发访问的最大数量
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

image.png

代码例子如下

@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t ticketSemaphore;
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t moneySemaphore;

self.ticketSemaphore = dispatch_semaphore_create(1);
self.moneySemaphore = dispatch_semaphore_create(1);

- (void)__drawMoney {
    dispatch_semaphore_wait(self.moneySemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    [super __drawMoney];
    
    dispatch_semaphore_signal(self.moneySemaphore);
}

- (void)__saveMoney {
    dispatch_semaphore_wait(self.moneySemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    [super __saveMoney];
    
    dispatch_semaphore_signal(self.moneySemaphore);
}

- (void)__saleTicket {
    dispatch_semaphore_wait(self.ticketSemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    [super __saleTicket];
    
    dispatch_semaphore_signal(self.ticketSemaphore);
}

3.11 `@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) {
    任务
}

obj 可以是同一个实例对象，类对象，静态变量

代码例子如下

- (void)__drawMoney {
    @synchronized([self class]) {
        [super __drawMoney];
    }
}

- (void)__saveMoney {
    @synchronized([self class]) { // objc_sync_enter
        [super __saveMoney];
    } // objc_sync_exit
}

- (void)__saleTicket {
    static NSObject *lock;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        lock = [[NSObject alloc] init];
    });
    
    @synchronized(lock) {
        [super __saleTicket];
    }
}

// 递归锁 - 可以递归
- (void)otherTest {
    @synchronized([self class]) {
        NSLog(@"123");
        [self otherTest];
    }
}

四 iOS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

五自旋锁、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

本文参考MJ底层原理教程，非常感谢MJ老师

项目连接地址 - 多线程安全+解决方案

iOS-底层原理(23)-多线程的安全隐患+11种同步解决方案

一多线程的安全隐患

多线程安全隐患分析

二多线程安全隐患的解决方案

三 iOS中的线程同步方案

各种同步方案实现如下

3.1 `OSSpinLock`

3.2 `os_unfair_lock`

3.3 `pthread_mutex`

3.4 `pthread_mutex`递归锁实现

3.5 `pthread_mutex` – 条件

3.6 `NSLock`

3.7 `NSRecursiveLock`

3.8 `NSCondition`

3.9 `NSConditionLock`

3.10 `dispatch_queue`

3.10 `dispatch_semaphore`

3.11 `@synchronized`

四 iOS线程同步方案性能比较

五自旋锁、互斥锁比较

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3.1 OSSpinLock

3.2 os_unfair_lock

3.3 pthread_mutex

3.4 pthread_mutex递归锁实现

3.5 pthread_mutex – 条件

3.6 NSLock

3.7 NSRecursiveLock

3.8 NSCondition

3.9 NSConditionLock

3.10 dispatch_queue

3.10 dispatch_semaphore

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3.8 `NSCondition`

3.9 `NSConditionLock`

3.10 `dispatch_queue`

3.10 `dispatch_semaphore`

3.11 `@synchronized`