iOS底层原理总结 - 多线程的锁

目录：
1.为什么要线程安全
2.多线程安全隐患分析
3.多线程安全隐患的解决方案
4.锁的分类-13种锁
4.1.1OSSpinLock
4.1.2os_unfair_lock
4.1.3pthread_mutex
4.1.4NSLock
4.1.5NSRecursiveLock
4.1.6NSCondition
4.1.7NSConditionLock
4.1.8dispatch_semaphore
4.1.9dispatch_queue
4.1.10@synchronized
4.1.11atomic
4.1.12pthread_rwlock
4.1.13dispatch_barrier_async
5.性能对比
6.常见的死锁

1.为什么要线程安全

多个线程访问同一块资源的时候，很容易引发数据混乱问题。

2.多线程安全隐患分析

01.png

3.多线程安全隐患的解决方案

02.png

4.13种锁

1 OSSpinLock

何谓自旋锁？它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，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那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。

OSSpinLock叫做”自旋锁”，使用时需要导入头文件#import
使用方式：

//初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
//加锁
OSSpinLockLock(&lock);
//解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);

demo:

#import "OSSpinLockDemo.h"
#import 

@interface OSSpinLockDemo()
@property (assign, nonatomic) OSSpinLock ticketLock;
@end

@implementation OSSpinLockDemo

- (instancetype)init {
    
    self = [super init];
    if (self) {
        self.ticketLock = OS_SPINLOCK_INIT;
    }
    return self;
}


//卖票
- (void)sellingTickets {
    OSSpinLockLock(&_ticketLock);
    
    [super sellingTickets];
    
    OSSpinLockUnlock(&_ticketLock);
}

@end

运行结果：

image.png

OSSpinLock在iOS10.0以后就被弃用了，可以使用os_unfair_lock_lock替代。而且还有一些安全性问题，具体参考不再安全的 OSSpinLock

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

使用方式：

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

demo:

#import "os_unfair_lockDemo.h"
#import 
@interface os_unfair_lockDemo()
@property (assign, nonatomic) os_unfair_lock ticketLock;
@end

@implementation os_unfair_lockDemo
- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
self.ticketLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
}
return self;
}

//卖票
- (void)sellingTickets{
os_unfair_lock_lock(&_ticketLock);

[super sellingTickets];

os_unfair_lock_unlock(&_ticketLock);
}
@end

3 pthread_mutex

pthread除了创建互斥锁，还可以创建递归锁、读写锁、once等锁。

静态初始化： pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
动态初始化： pthread_mutex_init()函数是以动态方式创建互斥锁的，参数 attr 指定了新建互斥锁的属性。如果参数 attr 为 NULL ,使用默认的属性，返回0代表初始化成功。这种方式可以初始化普通锁、递归锁(同 NSRecursiveLock ), 初始化方式有些复杂。

此类初始化方法可设置锁的类型，PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 互斥锁不会检测死锁， PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 互斥锁可提供错误检查， PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 递归锁， PTHREAD_PROCESS_DEFAULT 映射到 PTHREAD_PROCESS_NORMAL

使用方式：
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 使用步骤

1、初始化锁的属性

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

/*
* 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

2、初始化锁

// 初始化锁
pthread_mutex_init(mutex, &attr);

3、初始化锁结束以后，销毁属性

// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

4、加锁解锁

pthread_mutex_lock(&_mutex);
pthread_mutex_unlock(&_mutex);

5、销毁锁

pthread_mutex_destroy(&_mutex);

备注：我们可以不初始化属性，在传属性的时候直接传NULL，表示使用默认属性
PTHREAD_MUTEX_NORMAL。pthread_mutex_init(mutex, NULL);

死锁 我们稍微的修改一下代码

//卖票
- (void)sellingTickets{
pthread_mutex_lock(&_ticketMutex);
[super sellingTickets];
[self sellingTickets2];
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
}

- (void)sellingTickets2{
pthread_mutex_lock(&_ticketMutex);
NSLog(@"%s",__func__);
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
}

上面的代码就会造成线程死锁，因为方法sellingTickets的结束需要sellingTickets2解锁，方法sellingTickets2的结束需要sellingTickets解锁，相互引用造成死锁
但是pthread_mutex_t里面有一个属性可以解决这个问题PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE递归锁：允许同一个线程对同一把锁进行重复加锁。要考重点同一个线程和同一把锁

- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
// 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(&(_ticketMutex), &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
}
return self;
}

对于上面的问题还有一个解决方案就是在方法sellingTickets2中重新在创建一把新的锁，两个方法的锁对象不同，就不会造成线程死锁了。

image.png

条件

// 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);

// 初始化条件
pthread_cond_t condition
pthread_cond_init(&_cond, NULL);

// 等待条件
pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);

//激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&_cond);
//激活所有等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast(&_cond);

//销毁资源
pthread_mutex_destroy(&_mutex);
pthread_cond_destroy(&_cond);

使用案例：假设我们有一个数组，里面有两个线程，一个是添加数组，一个是删除数组，我们先调用删除数组，在调用添加数组，但是在数组为空的时候不调用删除数组。

demo:

#import "pthread_mutexDemo1.h"
#import 

@interface pthread_mutexDemo1()
@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t mutex;
@property (assign, nonatomic) pthread_cond_t cond;
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *data;
@end

@implementation pthread_mutexDemo1

- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
// 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);

// 初始化条件
pthread_cond_init(&_cond, NULL);

self.data = [NSMutableArray array];
}
return self;
}
- (void)otherTest
{
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__remove) object:nil] start];

[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__add) object:nil] start];
}

// 线程1
// 删除数组中的元素
- (void)__remove
{
pthread_mutex_lock(&_mutex);
NSLog(@"__remove - begin");

if (self.data.count == 0) {
// 等待
pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
}

[self.data removeLastObject];
NSLog(@"删除了元素");

pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

// 线程2
// 往数组中添加元素
- (void)__add
{
pthread_mutex_lock(&_mutex);

sleep(1);

[self.data addObject:@"Test"];
NSLog(@"添加了元素");

// 激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&_cond);

pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

- (void)dealloc
{
pthread_mutex_destroy(&_mutex);
pthread_cond_destroy(&_cond);
}

为了准确测试我们可以在__add中sleep(1) //删除操作再添加了元素之后才进行的。
示例结果：

image.png

4 NSLock

NSLock是对mutex普通锁的封装。pthread_mutex_init(mutex, NULL);
NSLock 遵循 NSLocking 协议。Lock 方法是加锁，unlock 是解锁，tryLock 是尝试加锁，如果失败的话返回 NO，lockBeforeDate: 是在指定Date之前尝试加锁，如果在指定时间之前都不能加锁，则返回NO

使用方式：

@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end

@interface NSLock : NSObject  {
@private
void *_priv;
}

- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@property (nullable, copy) NSString *name
@end

demo:

#import "LockDemo.h"
@interface LockDemo()
@property (strong, nonatomic) NSLock *ticketLock;
@end
@implementation LockDemo
//卖票
- (void)sellingTickets{
[self.ticketLock lock];
[super sellingTickets];
[self.ticketLock unlock];
}
@end

5 NSRecursiveLock（递归锁）

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

demo：

#import "RecursiveLockDemo.h"
@interface RecursiveLockDemo()
@property (nonatomic,strong) NSRecursiveLock *ticketLock;
@end
@implementation RecursiveLockDemo
//卖票
- (void)sellingTickets{
[self.ticketLock lock];
[super sellingTickets];
[self.ticketLock unlock];
}
@end

6 NSCondition（条件锁）

NSCondition 的对象实际上作为一个锁和一个线程检查器：锁主要为了当检测条件时保护数据源，执行条件引发的任务；线程检查器主要是根据条件决定是否继续运行线程，即线程是否被阻塞。
NSCondition是对mutex和cond的封装，更加面向对象，我们使用起来也更加的方便简洁
NSCondition同样实现了NSLocking协议，所以它和NSLock一样，也有NSLocking协议的lock和unlock方法，可以当做NSLock来使用解决线程同步问题，用法完全一样。
NSCondition提供更高级的用法。wait和signal，和条件信号量类似。比如我们要监听imageNames数组的个数，当imageNames的个数大于0的时候就执行清空操作。思路是这样的，当imageNames个数大于0时执行清空操作，否则，wait等待执行清空操作。当imageNames个数增加的时候发生signal信号，让等待的线程唤醒继续执行。
NSCondition和NSLock、@synchronized等是不同的是，NSCondition可以给每个线程分别加锁，加锁后不影响其他线程进入临界区。这是非常强大。但是正是因为这种分别加锁的方式，NSCondition使用wait并使用加锁后并不能真正的解决资源的竞争。比如我们有个需求：不能让m<0。假设当前m=0,线程A要判断到m>0为假,执行等待；线程B执行了m=1操作，并唤醒线程A执行m-1操作的同时线程C判断到m>0，因为他们在不同的线程锁里面，同样判断为真也执行了m-1，这个时候线程A和线程C都会执行m-1,但是m=1，结果就会造成m=-1.

使用方式：

@interface NSCondition : NSObject  {
- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;
@property (nullable, copy) NSString *name 
@end

对于上面那个数组操作的案例我们就可以变成这个样子了
demo:

#import "NSConditionDemo.h"

@interface NSConditionDemo ()

@property (nonatomic,strong) NSCondition *condition;
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *data;
@end

@implementation NSConditionDemo

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        
        self.data = [NSMutableArray array];
    }
    return self;
}

- (NSCondition *)condition {
    if (_condition == nil) {
        _condition = [[NSCondition alloc] init];
    }
    return _condition;
}

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

// 线程1
// 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
    [self.condition signal];
    [self.condition unlock];
}

@end

7 NSConditionLock

lock不分条件，如果锁没被申请，直接执行代码
unlock不会清空条件，之后满足条件的锁还会执行
unlockWithCondition:我的理解就是设置解锁条件(同一时刻只有一个条件，如果已经设置条件，相当于修改条件)
lockWhenCondition:满足特定条件,执行相应代码
NSConditionLock同样实现了NSLocking协议，试验过程中发现性能很低。
NSConditionLock也可以像NSCondition一样做多线程之间的任务等待调用，而且是线程安全的。
NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值

使用方式：

@interface NSConditionLock : NSObject  {
 
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition;

@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;
@property (nullable, copy) NSString *name;
@end

里面有三个常用的方法

1、initWithCondition：初始化Condition，并且设置状态值
2、lockWhenCondition:(NSInteger)condition:当状态值为condition的时候加锁
3、unlockWithCondition:(NSInteger)condition当状态值为condition的时候解锁

demo:

@interface NSConditionLockDemo()
@property (strong, nonatomic) NSConditionLock *conditionLock;
@end
@implementation NSConditionLockDemo
- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
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];
}

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

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

示例结果：（即使test方法one和two顺序换了也还是先执行one）

image.png

8 dispatch_semaphore

semaphore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

使用方式：

//表示最多开启5个线程
dispatch_semaphore_create(5);
// 如果信号量的值 > 0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
// 如果信号量的值 <= 0，就会休眠等待，直到信号量的值变成>0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 让信号量的值+1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);

demo:

@interface dispatch_semaphoreDemo()
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t semaphore;
@end
@implementation dispatch_semaphoreDemo
- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
self.semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
}
return self;
}
- (void)otherTest
{
for (int i = 0; i < 20; i++) {
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(test) object:nil] start];
}
}
- (void)test
{
// 如果信号量的值 > 0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
// 如果信号量的值 <= 0，就会休眠等待，直到信号量的值变成>0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

sleep(2);
NSLog(@"test - %@", [NSThread currentThread]);

// 让信号量的值+1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}
@end

示例结果：

image.png

我们在运行代码打印的时候发现，每隔一秒出现一次打印。虽然我们同时开启20个线程，但是一次只能访问一条线程的资源

9 dispatch_queue

使用GCD的串行队列也可以实现线程同步的

使用方式：

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(queue, ^{
// 追加任务1
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
NSLog(@"1---%@",[NSThread currentThread]);
}
});

dispatch_sync(queue, ^{
// 追加任务2
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
NSLog(@"2---%@",[NSThread currentThread]);
}
});

10 @synchronized（互斥锁）

在编程中，引入对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。每个对象都对应于一个可称为“互斥锁”的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问对象。

@synchronized 关于 @synchronized，这儿比你想知道的还要多

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

//卖票
- (void)sellingTickets{
@synchronized ([self class]) {
[super sellingTickets];
}
}

对是实现底层我们可以在objc4的objc-sync.mm文件中找到 synchronized就是在开始和结束的时候调用了objc_sync_enter&objc_sync_exit方法。
objc_sync_enter实现

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

if (obj) {
SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
assert(data);
data->mutex.lock();
} 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();
}

return result;
}

就是根据id2data方法找到一个data对象，然后在对data对象进行mutex.lock()加锁操作。我们点击进入id2data方法继续查找

#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data
static StripedMap sDataLists;

发现获取data对象的方法其实就是根据sDataLists[obj].data这个方法来实现的，也就是一个哈希表。

11 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
它并不能保证使用属性的过程是线程安全的

12 pthread_rwlock

pthread_rwlock经常用于文件等数据的读写操作，需要导入头文件#import
iOS中的读写安全方案需要注意一下场景

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

使用方式：

//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_trywrlock(&_lock)

//写加锁
pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
//写尝试加锁
pthread_rwlock_trywrlock(&_lock)

//解锁
pthread_rwlock_unlock(&_lock);
//销毁
pthread_rwlock_destroy(&_lock);

demo:

#import 
@interface pthread_rwlockDemo ()
@property (assign, nonatomic) pthread_rwlock_t lock;
@end

@implementation pthread_rwlockDemo

- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
// 初始化锁
pthread_rwlock_init(&_lock, NULL);
}
return self;
}

- (void)otherTest{
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

for (int i = 0; i < 10; i++) {
dispatch_async(queue, ^{
[self read];
});
dispatch_async(queue, ^{
[self write];
});
}
}
- (void)read {
pthread_rwlock_rdlock(&_lock);
sleep(1);
NSLog(@"%s", __func__);
pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}
- (void)write
{
pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
sleep(1);
NSLog(@"%s", __func__);
pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}
- (void)dealloc
{
pthread_rwlock_destroy(&_lock);
}
@end

示例结果：

image.png

我们可以发现读操作1s有可能出现多次，但是写操作不会

13 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

//初始化
self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
//读操作
dispatch_async(self.queue, ^{
});
//写操作
dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
 
});

5.性能对比

基础表现-所操作耗时

image.png

上图是常规的锁操作性能测试(iOS7.0SDK，iPhone6模拟器，Yosemite 10.10.5)，垂直方向表示耗时，单位是秒，总耗时越小越好，水平方向表示不同类型锁的锁操作，具体又分为两部分，左边的常规lock操作(比如NSLock)或者读read操作(比如 ANReadWriteLock)，右边则是写write操作，图上仅有 ANReadWriteLock和 ANRecursiveRWLock支持，其它不支持的则默认为0，图上看出，单从性能表现，原子操作是表现最佳的(0.057412秒)，@synchronized则是最耗时的(1.753565秒) (测试代码) 。

多线程锁删除数组性能测试

模拟器环境：i5 2.6GH+8G 内存，xcode 7.2.1 (7C1002)+iPhone6SP(9.2)

image.png

真机环境：xcode 7.2.1 (7C1002)+iPhone6(国行)

image.png

通过测试发现模拟器和真机的区别还是很大的，模拟器上明显的阶梯感，真机就没有，模拟器上NSConditionLock的性能非常差，我没有把它的参数加在表格上，不然其他的就看不到了。不过真机上面性能还好。

这些性能测试只是一个参考，没必要非要去在意这些，毕竟前端的编程一般线程要求没那么高，可以从其他的地方优化。线程安全中注意避坑，另外选择自己喜欢的方式，这样你可以研究的更深入，使用的更熟练。

声明：测试结果仅仅代表一个参考，因为各种因素的影响，并没有那么准确。
综合比较

image.png

可以看到除了 OSSpinLock 外，dispatch_semaphore 和 pthread_mutex 性能是最高的。有消息称，苹果在新的系统中已经优化了 pthread_mutex 的性能，所有它看上去和 dispatch_semaphore 差距并没有那么大了。

6.常见的死锁

案例一：

NSLog(@"1"); // 任务1
dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
    NSLog(@"2"); // 任务2
});
NSLog(@"3"); // 任务3

结果，控制台输出：

分析

dispatch_sync表示一个同步线程；
dispatch_get_main_queue表示运行在主线程中的主队列；
任务2是同步线程的任务。

首先执行任务1，这是肯定没问题的，只是接下来，程序遇到了同步线程，那么它会进入等待，等待任务2执行完，然后执行任务3。但这是队列，有任务来，当然会将任务加到队尾，然后遵循FIFO原则执行任务。那么，现在任务2就会被加到最后，任务3排在了任务2前面，问题来了：

任务3要等任务2执行完才能执行，任务2由排在任务3后面，意味着任务2要在任务3执行完才能执行，所以他们进入了互相等待的局面。【既然这样，那干脆就卡在这里吧】这就是死锁。

image.png

案例二

NSLog(@"1"); // 任务1
dispatch_sync(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0), ^{
    NSLog(@"2"); // 任务2
});
NSLog(@"3"); // 任务3

结果，控制台输出：

1
2
3

分析
首先执行任务1，接下来会遇到一个同步线程，程序会进入等待。等待任务2执行完成以后，才能继续执行任务3。从dispatch_get_global_queue可以看出，任务2被加入到了全局的并行队列中，当并行队列执行完任务2以后，返回到主队列，继续执行任务3。

image.png

案例三

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.demo.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
NSLog(@"1"); // 任务1
dispatch_async(queue, ^{
    NSLog(@"2"); // 任务2
    dispatch_sync(queue, ^{  
        NSLog(@"3"); // 任务3
    });
    NSLog(@"4"); // 任务4
});
NSLog(@"5"); // 任务5

结果，控制台输出：

1
5
2
// 5和2的顺序不一定复制代码

分析
这个案例没有使用系统提供的串行或并行队列，而是自己通过dispatch_queue_create函数创建了一个DISPATCH_QUEUE_SERIAL的串行队列。

执行任务1；
遇到异步线程，将【任务2、同步线程、任务4】加入串行队列中。因为是异步线程，所以在主线程中的任务5不必等待异步线程中的所有任务完成；
因为任务5不必等待，所以2和5的输出顺序不能确定；
任务2执行完以后，遇到同步线程，这时，将任务3加入串行队列；
又因为任务4比任务3早加入串行队列，所以，任务3要等待任务4完成以后，才能执行。但是任务3所在的同步线程会阻塞，所以任务4必须等任务3执行完以后再执行。这就又陷入了无限的等待中，造成死锁。

image.png

案例四

NSLog(@"1"); // 任务1
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    NSLog(@"2"); // 任务2
    dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"3"); // 任务3
    });
    NSLog(@"4"); // 任务4
});
NSLog(@"5"); // 任务5

结果，控制台输出：

1
2
5
3
4
// 5和2的顺序不一定复制代码

分析

首先，将【任务1、异步线程、任务5】加入Main Queue中，异步线程中的任务是：【任务2、同步线程、任务4】。
所以，先执行任务1，然后将异步线程中的任务加入到Global Queue中，因为异步线程，所以任务5不用等待，结果就是2和5的输出顺序不一定。
然后再看异步线程中的任务执行顺序。任务2执行完以后，遇到同步线程。将同步线程中的任务加入到Main Queue中，这时加入的任务3在任务5的后面。
当任务3执行完以后，没有了阻塞，程序继续执行任务4。
从以上的分析来看，得到的几个结果：1最先执行；2和5顺序不一定；4一定在3后面。

image.png

案例五

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    NSLog(@"1"); // 任务1
    dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"2"); // 任务2
    });
    NSLog(@"3"); // 任务3
});
NSLog(@"4"); // 任务4
while (1) {
}
NSLog(@"5"); // 任务5

结果，控制台输出：

1
4
// 1和4的顺序不一定复制代码

分析

和上面几个案例的分析类似，先来看看都有哪些任务加入了Main Queue：【异步线程、任务4、死循环、任务5】。
在加入到Global Queue异步线程中的任务有：【任务1、同步线程、任务3】。
第一个就是异步线程，任务4不用等待，所以结果任务1和任务4顺序不一定。
任务4完成后，程序进入死循环，Main Queue阻塞。但是加入到Global Queue的异步线程不受影响，继续执行任务1后面的同步线程。
同步线程中，将任务2加入到了主线程，并且，任务3等待任务2完成以后才能执行。这时的主线程，已经被死循环阻塞了。所以任务2无法执行，当然任务3也无法执行，在死循环后的任务5也不会执行。
最终，只能得到1和4顺序不定的结果。

image.png

总结

1. 总的来看，推荐pthread_mutex作为实际项目的首选方案；
1. 对于耗时较大又易冲突的读操作，可以使用读写锁代替pthread_mutex；
1. 如果确认仅有set/get的访问操作，可以选用原子操作属性；
1. 对于性能要求苛刻，可以考虑使用OSSpinLock，需要确保加锁片段的耗时足够小；
1. 条件锁基本上使用面向对象的NSCondition和NSConditionLock即可；
1. @synchronized则适用于低频场景如初始化或者紧急修复使用；

苹果为多线程、共享内存提供了多种同步解决方案(锁),对于这些方案的比较，大都讨论了锁的用法以及锁操作的开销。个人认为最优秀的选用还是看应用场景，高频接口VS低频接口、有限冲突VS激烈竞争、代码片段耗时的长短，都是选择的重要依据，选择适用于当前应用场景的方案才是王道。

参考文章：
iOS多线程安全-13种线程锁
谈谈iOS多线程的锁

iOS底层原理总结 - 多线程的锁

1.为什么要线程安全

2.多线程安全隐患分析

3.多线程安全隐患的解决方案

4.13种锁

1 OSSpinLock

2 os_unfair_lock

3 pthread_mutex

4 NSLock

5 NSRecursiveLock（递归锁）

6 NSCondition（条件锁）

7 NSConditionLock

8 dispatch_semaphore

9 dispatch_queue

10 @synchronized（互斥锁）

@synchronized 关于 @synchronized，这儿比你想知道的还要多

11 atomic

12 pthread_rwlock

13 dispatch_barrier_async

5.性能对比

6.常见的死锁

案例一：

案例二

案例三

案例四

案例五

总结

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