iOS开发之多线程安全篇

作者: iOS鑫 | 来源:发表于2021-02-27 15:44 被阅读0次

多线程，作为实现软件并发执行的一个重要的方法，也开始具有越来越重要的地位！

正式因为多线程能够在时间片里被CPU快速切换，造就了以下优势

资源利用率更好
程序设计在某些情况下更简单
程序响应更快

但是并不是非常完美，因为多线程常常伴有资源抢夺的问题，作为一个高级开发人员并发编程那是必须要的，同时解决线程安全也成了我们必须要要掌握的基础

原子操作

自旋锁其实就是封装了一个spinlock_t自旋锁

自旋锁：如果共享数据已经有其他线程加锁了，线程会以死循环的方式等待锁，一旦被访问的资源被解锁，则等待资源的线程会立即执行。自旋锁下面还会展开来介绍

互斥锁：如果共享数据已经有其他线程加锁了，线程会进入休眠状态等待锁。一旦被访问的资源被解锁，则等待资源的线程会被唤醒。

下面是自旋锁的实现原理：

bool lock = false; // 一开始没有锁上，任何线程都可以申请锁
do {
    while(test_and_set(&lock); // test_and_set 是一个原子操作
        Critical section  // 临界区
    lock = false; // 相当于释放锁，这样别的线程可以进入临界区
        Reminder section // 不需要锁保护的代码        
}

这里有一篇关于原子性的比较有意思的文章，这里也贴出来，大家可以一起交流讨论为什么说atomic有时候无法保证线程安全呢？不再安全的 OSSpinLock

操作在底层会被编译为汇编代码之后不止一条指令，因此在执行的时候可能执行了一半就被调度系统打断，去执行别的代码，而我们的原子性的单条指令的执行是不会被打断的，所以保证了安全.

自旋锁的BUG

尽管原子操作非常的简单，但是它只适合于比较简单特定的场合。在复杂的场合下，比如我们要保证一个复杂的数据结构更改的原子性，原子操作指令就力不从心了，

如果临界区的执行时间过长，使用自旋锁不是个好主意。之前我们介绍过时间片轮转算法，线程在多种情况下会退出自己的时间片。其中一种是用完了时间片的时间，被操作系统强制抢占。除此以外，当线程进行 I/O 操作，或进入睡眠状态时，都会主动让出时间片。显然在 while 循环中，线程处于忙等状态，白白浪费 CPU 时间，最终因为超时被操作系统抢占时间片。如果临界区执行时间较长，比如是文件读写，这种忙等是毫无必要的

下面开始我们又爱又恨的锁

iOS锁

大家也可以参考这篇文章进行拓展：iOS锁

锁并是一种非强制机制，每一个现货出呢个在访问数据或资源之前视图获取（Acquire）锁，并在访问结束之后释放（Release）锁。在锁已经被占用的时候试图获取锁，线程会等待，知道锁重新可用！

信号量

二元信号量（Binary Semaphore） 只有两种状态：占用与非占用。它适合被唯一一个线程独占访问的资源。当二元信号量处于非占用状态时，第一个试图获取该二元信号量的线程会获得该锁，并将二元信号量置为占用状态，伺候其他的所有试图获取该二元信号量的线程将会等待，直到该锁被释放

现在我们在这个基础上，我们把学习的思维由二元->多元的时候，我们的信号量由此诞生，多元信号量简称信号量

将信号量的值减1
如果信号量的值小于0，则进入等待状态，否则继续执行。访问玩资源之后，线程释放信号量，进行如下操作
将信号量的值加1
如果信号量的值小于1，唤醒一个等待中的线程

let sem = DispatchSemaphore(value: 1)

for index in 1...5 { DispatchQueue.global().async { sem.wait() print(index,Thread.current) sem.signal() } }

输出结果： 1 <NSThread: 0x600003fa8200>{number = 3, name = (null)} 2 <NSThread: 0x600003f90140>{number = 4, name = (null)} 3 <NSThread: 0x600003f94200>{number = 5, name = (null)} 4 <NSThread: 0x600003fa0940>{number = 6, name = (null)} 5 <NSThread: 0x600003f94240>{number = 7, name = (null)}

互斥量

互斥量（Mutex）又叫互斥锁和二元信号量很类似，但和信号量不同的是，信号量在整个系统可以被任意线程获取并释放；也就是说哪个线程锁的，要哪个线程释放锁。

具体详细的用法可以参考：常见锁用法

Mutex可以分为递归锁（recursive mutex）和非递归锁（non-recursive mutex）。递归锁也叫可重入锁（reentrant mutex），非递归锁也叫不可重入锁（non-reentrant mutex）。二者唯一的区别是：

同一个线程可以多次获取同一个递归锁，不会产生死锁。
如果一个线程多次获取同一个非递归锁，则会产生死锁。

NSLock 是最简单额互斥锁！但是是非递归的！直接封装了pthread_mutex 用法非常简单就不做赘述 @synchronized 是我们互斥锁里面用的最频繁的，但是性能最差！

int main(int argc, const char * argv[]) {
    NSString *obj = @"Iceberg";
    @synchronized(obj) {
        NSLog(@"Hello,world! => %@" , obj);
    }
}

底层clang

int main(int argc, const char * argv[]) {

    NSString *obj = (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_8l_rsj0hqpj42b9jsw81mc3xv_40000gn_T_block_main_54f70c_mi_0;

    {
        id _rethrow = 0;
        id _sync_obj = (id)obj;
        objc_sync_enter(_sync_obj);
        try {
                struct _SYNC_EXIT {
                    _SYNC_EXIT(id arg) : sync_exit(arg) {}
                    ~_SYNC_EXIT() {
                        objc_sync_exit(sync_exit);
                    }
                    id sync_exit;
                } _sync_exit(_sync_obj);

                NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_8l_rsj0hqpj42b9jsw81mc3xv_40000gn_T_block_main_54f70c_mi_1 , obj);

            } catch (id e) {
                _rethrow = e;
            }

        {
            struct _FIN {
                _FIN(id reth) : rethrow(reth) {}
                ~_FIN() {
                    if (rethrow)
                        objc_exception_throw(rethrow);
                }
                id rethrow;
            } _fin_force_rethow(_rethrow);
        }
    }

}

我们发现objc_sync_enter函数是在try语句之前调用，参数为需要加锁的对象。因为C++中没有try{}catch{}finally{}语句，所以不能在finally{}调用objc_sync_exit函数。因此objc_sync_exit是在_SYNC_EXIT结构体中的析构函数中调用，参数同样是当前加锁的对象。这个设计很巧妙，原因在_SYNC_EXIT结构体类型的_sync_exit是一个局部变量，生命周期为try{}语句块，其中包含了@sychronized{}代码需要执行的代码，在代码完成后，_sync_exit局部变量出栈释放，随即调用其析构函数，进而调用objc_sync_exit函数。即使try{}语句块中的代码执行过程中出现异常，跳转到catch{}语句，局部变量_sync_exit同样会被释放，完美的模拟了finally的功能。

由于篇幅原因，这里分享一篇非常不错的博客：底层分析synchronized

int objc_sync_enter(id obj)
 {
  int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;

  if (obj) {
  SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
  require_action_string(data != NULL, done, result = OBJC_SYNC_NOT_INITIALIZED, "id2data failed");

  result = recursive_mutex_lock(&data->mutex);
  require_noerr_string(result, done, "mutex_lock failed");
  } else {
  // @synchronized(nil) does nothing
  if (DebugNilSync) {
  _objc_inform("NIL SYNC DEBUG: @synchronized(nil); set a breakpoint on objc_sync_nil to debug");
  }
  objc_sync_nil();
  }

 done: 
  return result;
 }

从上面的源码中我们可以得出你调用sychronized的每个对象，Objective-C runtime都会为其分配一个递归锁并存储在哈希表中。完美

其实如果大家觉得@sychronized性能低的话，完全可以用NSRecursiveLock现成的封装好的递归锁

NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{

    static void (^RecursiveBlock)(int);
    RecursiveBlock = ^(int value) {
        [lock lock];
        if (value > 0) {
            NSLog(@"value:%d", value);
            RecursiveBlock(value - 1);
        }
        [lock unlock];
    };
    RecursiveBlock(2);
});

2016-08-19 14:43:12.327 ThreadLockControlDemo[1878:145003] value:2
2016-08-19 14:43:12.327 ThreadLockControlDemo[1878:145003] value:1

条件变量

条件变量(Condition Variable)作为一种同步手段，作用类似一个栅栏。对于条件变量，现成可以有两种操作：

首先线程可以等待条件变量，一个条件变量可以被多个线程等待
其次线程可以唤醒条件变量。此时某个或所有等待此条件变量的线程都会被唤醒并继续支持。

换句话说：使用条件变量可以让许多线程一起等待某个时间的发生，当某个时间发生时，所有的线程可以一起恢复执行！

相信仔细的大家肯定在锁的用法里面见过NSCondition，就是封装了条件变量pthread_cond_t和互斥锁

- (void) signal { 
    pthread_cond_signal(&_condition); 
} 
// 其实这个函数是通过宏来定义的，展开后就是这样 
- (void) lock { 
    int err = pthread_mutex_lock(&_mutex); 
}

NSConditionLock借助 NSCondition来实现，它的本质就是一个生产者-消费者模型。“条件被满足”可以理解为生产者提供了新的内容。NSConditionLock 的内部持有一个NSCondition对象，以及 _condition_value属性，在初始化时就会对这个属性进行赋值:

// 简化版代码
- (id) initWithCondition: (NSInteger)value {
    if (nil != (self = [super init])) {
        _condition = [NSCondition new]
        _condition_value = value;
    }
    return self;
}

读写锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwptr);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwptr);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwptr);

ReadWriteLock管理一组锁，一个是只读的锁，一个是写锁。读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，写锁是独占的。

#include <pthread.h>      //多线程、读写锁所需头文件
pthread_rwlock_t  rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; //定义和初始化读写锁

写模式：
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);     //加写锁
写写写……
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);     //解锁  

读模式：
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);      //加读锁
读读读……
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);     //解锁

用条件变量实现读写锁

这里用条件变量+互斥锁来实现。注意：条件变量必须和互斥锁一起使用，等待、释放的时候都需要加锁。

#include <pthread.h> //多线程、互斥锁所需头文件

pthread_mutex_t  mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;      //定义和初始化互斥锁
pthread_cond_t  cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;       //定义和初始化条件变量

写模式：
pthread_mutex_lock(&mutex);     //加锁
while(w != 0 || r > 0)
{
     pthread_cond_wait(&cond, &mutex);      //等待条件变量的成立
}
w = 1;

pthread_mutex_unlock(&mutex);
写写写……
pthread_mutex_lock(&mutex);
w = 0;
pthread_cond_broadcast(&cond);       //唤醒其他因条件变量而产生的阻塞
pthread_mutex_unlock(&mutex);    //解锁

读模式：
pthread_mutex_lock(&mutex);     
while(w != 0)
{
     pthread_cond_wait(&cond, &mutex);      //等待条件变量的成立
}
r++;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
读读读……
pthread_mutex_lock(&mutex);
r- -;
if(r == 0)
     pthread_cond_broadcast(&cond);       //唤醒其他因条件变量而产生的阻塞
pthread_mutex_unlock(&mutex);    //解锁

用互斥锁实现读写锁

这里使用2个互斥锁+1个整型变量来实现

#include <pthread.h> //多线程、互斥锁所需头文件
pthread_mutex_t r_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;      //定义和初始化互斥锁
pthread_mutex_t w_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
int readers = 0;     //记录读者的个数

写模式：
pthread_mutex_lock(&w_mutex);
写写写……
pthread_mutex_unlock(&w_mutex);

读模式：
pthread_mutex_lock(&r_mutex);         

if(readers == 0)
     pthread_mutex_lock(&w_mutex);
readers++;
pthread_mutex_unlock(&r_mutex); 
读读读……
pthread_mutex_lock(&r_mutex);
readers- -;
if(reader == 0)
     pthread_mutex_unlock(&w_mutex);
pthread_mutex_unlock(&r_mutex);

用信号量来实现读写锁

这里使用2个信号量+1个整型变量来实现。令信号量的初始数值为1，那么信号量的作用就和互斥量等价了。

#include <semaphore.h>     //线程信号量所需头文件

sem_t r_sem;     //定义信号量
sem_init(&r_sem, 0, 1);     //初始化信号量 

sem_t w_sem;     //定义信号量
sem_init(&w_sem, 0, 1);     //初始化信号量  
int readers = 0;

写模式：
sem_wait(&w_sem);
写写写……
sem_post(&w_sem);

读模式：
sem_wait(&r_sem);
if(readers == 0)
     sem_wait(&w_sem);
readers++;
sem_post(&r_sem);
读读读……
sem_wait(&r_sem);
readers- -;
if(readers == 0)
     sem_post(&w_sem);
sem_post(&r_sem);

线程的安全是现在各个领域在多线程开发必须要掌握的基础！只有对底层有所掌握，才能在真正的实际开发中游刃有余！现在的iOS开发乃至其他开发都是表面基础层开发，真正大牛开发之路还请继续努力，这一篇博客以供大家一起学习！

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