细说@synchronized和dispatch_once[细读]［笔记］

原文出处： 树下的老男孩   

http://ios.jobbole.com/87349/

工欲善其事,必先利其器。

通常我们在实现单例时候都会使用synchronized或者dispatch_once方法，初始化往往是下面的样子：
使用synchronized方法实现：

Objective-C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

static id obj = nil ; + ( instancetype ) shareInstance {      @synchronized ( self ) {          if ( ! obj ) {              obj = [ [ SingletonObj alloc ] init ] ;          }      }      return obj ; }

使用dispatch_once方法实现：

性能差异

上面的这些写法大家应该都很熟悉，既然两种方式都能实现，我们来看看两者的性能差异，这里简单写了个测试的demo，使用两个方法分单线程跟多线程(采用dispatch_apply方式，性能相对较高)去访问一个单例对象一百万次，对比这期间的耗时，从iPod跟5s测试得到如下的结果

Objective-C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

//ipod，主线程      SingletonTest [ 4285 : 446820 ] synchronized time cost : 2.202945s      SingletonTest [ 4285 : 446820 ] dispatch_once time cost : 0.761034s        //5s，主线程      SingletonTest [ 5372 : 2394430 ] synchronized time cost : 0.466293s      SingletonTest [ 5372 : 2394430 ] dispatch_once time cost : 0.070822s        //ipod，多线程      SingletonTest [ 4315 : 448499 ] synchronized time cost : 3.385109s      SingletonTest [ 4315 : 448499 ] dispatch_once time cost : 0.908009s        //5s，多线程      SingletonTest [ 5391 : 2399069 ] synchronized time cost : 0.507504s      SingletonTest [ 5391 : 2399069 ] dispatch_once time cost : 0.169934s

可以发现dispatch_once方法的性能要明显优于synchronized方法(多线程不采用dispathc_apply方式差距更明显)，所以在实际的应用中我们可以多采用dispatch_once方式来实现单例。通常使用的时候了解这些就够了，不过想知道两者的具体差异就需要我们再迈进一步。

深入@synchronized(object)

翻看苹果的文档可以发现 @synchronized指令内部使用锁来实现多线程的安全访问，并且隐式添加了一个异常处理的handler，当异常发生时会自动释放锁。在stackoverflow上看到@synchronized指令其实可以转换成objc_sync_enter跟objc_sync_exit，可以在头文件中找到这两个函数:

根据注释文档，objc_sync_enter会根据需要给每个传进来的对象创建一个互斥锁并lock，然后objc_sync_exit的时候unlock，这样就可以通过这个锁来实现多线程的安全访问，所以结合苹果文档可以认为

Objective-C

1 2 3

@synchronized ( self ) {      //thread safe code }

等价于

庆幸的是苹果已经将objc-runtime这部分开源，所以我们可以更进一步了解内部的实现，源码在这里，有兴趣也可以自己去查阅，这里简单介绍一下。
让我们先来看看几个数据结构，其中有些涉及到缓存，我们就不去考虑了：

Objective-C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

typedef struct SyncData {      struct SyncData * nextData ;      DisguisedPtr object ;      int32_t threadCount ;    // number of THREADS using this block      recursive_mutex_t mutex ; } SyncData ;   struct SyncList {      SyncData *data ;      spinlock_t lock ; } ;   #define LOCK_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].lock #define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data static StripedMap sDataLists ;

首先看看SyncData这个数据结构，包含一个指向object的指针，这个object对象就是我们@synchronized时传进来的对象，也包含一个跟object关联的递归互斥锁recursive_mutex_t，该锁用来互斥访问object对象；同时还包含一个指向下一个SyncData的指针nextData，可以看出SyncData是一个链表中的节点；至于threadCount，这个值标示有几个线程正在访问这个对象，当threadCount==0的时候，会重用该SyncData对象，这是为了节省内存。
接下来看看SyncList，SyncList其实就是一个链表，data指向第一个SyncData节点，lock则是为了多线程安全访问该链表。
最后看下sDataLists静态哈希表对象，它以obj的指针为key,对应的value为SyncList链表。
了解上面之后，我们就可以看看objc_sync_enter跟objc_sync_exit的具体实现（摘取部分代码）

简单来说，调用objc_sync_enter(obj)时，会根据obj指针在哈希表sDataLists对应的链表SyncList，然后在链表中查询对应obj的SyncData对象，如果查询不到则创建一个新的SyncData对象（包含创建跟obj相关的递归互斥锁）并添加到链表中，然后使用SyncData对象上锁；调用objc_sync_exit(obj)时，使用SyncData对象解锁，因此通过这个锁便可确保@synchronized之间的代码线程安全。

sDataLists

深入dispatch_once

探讨了synchronized之后，我们再来说说dispatch_once。

Objective-C

1	void dispatch_once ( dispatch_once_t *predicate , dispatch_block_t block ) ;

根据官方文档,dispatch_once可以用来初始化一些全局的数据，它能够确保block代码在app的生命周期内仅被运行一次，而且还是线程安全的，不需要额外加锁；predicate必须指向一个全局或者静态的变量，不过使用predicate的话结果是未定义的，不过predicate有啥作用，如何实现block在整个生命周期执行一次？那我们只能从源码查找(源码地址：once)。
不过在这之前先简要介绍一下:

• bool __sync_bool_compare_and_swap (type ptr, type oldval type newval, …)
  提供原子的比较和交换操作，如果当前值ptr == oldval，就将newval写入*ptr，当比较赋值操作成功后返回true
• *__sync_synchronize (…)
  调用这个函数会产生一个full memory barrier ，用于保证CPU按照我们代码编写的顺序来执行代码，比如：
  
• type __sync_swap(type *ptr, type value, …)
  提供原子交换操作的函数，交换第一个跟第二个参数的值，然后返回交换前第一个参数的旧值。
• _dispatch_hardware_pause()
  调用这个函数主要是暗示处理器不要做额外的优化处理等，提高性能，节省CPU时间，可以查看这里了解更多
  • 信号量
    信号量是一个非负整数，定义了两种原子操作：wait跟signal来进行访，信号量主要用于线程同步。当一个线程调用wait操作时，如果信号量的值大于0，则获得资源并将信号量值减一，如果等于0线程睡眠直到信号量值大于0或者超时；singal将信号量的值加1，如果这时候有正在等待的线程，唤醒该线程。
  Objective-C

  1 2 3 4 5 6 7 8

  // 创建一个信号量，其值为0         dispatch_semaphore_t sema = dispatch_semaphore_create ( 0 ) ; ABAddressBookRequestAccessWithCompletion ( addressBook , ^ ( bool granted , CFErrorRef error ) {      //操作完成后，调用signal信号量+1      dispatch_semaphore_signal ( sema ) ; } ) ; //等待dispatch_semaphore_signal将信号量值加1后才继续运行 dispatch_semaphore_wait ( sema , DISPATCH_TIME_FOREVER ) ;

  接下来看看具体代码，当我们调用dispatch_once时候，内部是调用dispatch_once_f函数，其中val就是外部传入的predicate值，ctxt为Block的指针，func则是Block内部具体实现的函数指针，由于源码比较短，所以我直接把源码贴出来(为了方便查看，有些不使用宏定义)。

  让我们来看看dispatch_once是如何确保block只执行一次。简单来说，当线程A在调用执行block并设置predicate为DISPATCH_ONCE_DONE(~0l)期间，如果有其他线程也在调用disptach_once，则这些线程会等待，各线程对应的信号量会加入到信号量链表中，等predicate设置为DISPATCH_ONCE_DONE后，也就是block执行完了，会根据信号量链表唤醒各个线程使其继续执行。

  信号量链表.png

  不过有一种临界情况，假如线程A在执行block，但是创建单例对象obj还未完成，这时候线程B获取该obj对象，此时obj＝nil，而线程B在线程A将predicate设为DISPATCH_ONCE_DONE之后读取predicate，这是线程B会认为单例对象已经初始化完成，然后使用空的obj对象，这就会导致错误发生。因此dispatch_once会在执行完block之后会执行dispatch_atomic_maximally_synchronizing_barrier()调用，这个调用会执行一些cpuid指令，确保线程A创建单例对象obj以及置predicate为DISPATCH_ONCE_DONE的时间TimeA大于线程B进入block并读取predicate值的时间TimeB。

  Objective-C

  1 2 3 4 5

  #define dispatch_atomic_maximally_synchronizing_barrier() \      do { unsigned long _clbr ; __asm__ __volatile__ ( \      "cpuid" \      : "=a" ( _clbr ) : "0" ( 0 ) : "ebx" , "ecx" , "edx" , "cc" , "memory" \      ) ; } while ( 0 )

  除此之外，每次调用dispatch_once的时候，都会先判断predicate的值是否是~0l(也就是DISPATCH_ONCE_DONE)，如果是则意味着block已经执行过了，便不再执行，代码如下：

  让我们看看这里面的__builtin_expect((x), (v))，这又是一个优化的地方。。。

  Objective-C

  1 2 3 4

  __builtin_expect ( )目的是将“分支转移”的信息提供给编译器，这样编译器可以对代码进行优化， 以减少指令跳转带来的性能下降。 __builtin_expect ( ( x ) , 1 ) 表示 x 的值为真的可能性更大； __builtin_expect ( ( x ) , 0 ) 表示 x 的值为假的可能性更大。

  由于dispatch_once的只执行block一次，所以我们更期望的是已经block已经执行完了，也就是predict的值为~0l的可能性更大。
  现在我们清楚dispatch_once是如何确保block只执行一次了，关键就在predict这个值，通过比较这个值等于0或者~0l来判断block是否执行过，这也就是为啥我们需要将这个值设为static或者全局的缘故，因为各个线程都要去访问这个predict，有兴趣的可以试试把predicate的初始值设为非0或者非静态全局变量会发生什么～～

  总结

  通过上面的分析，我们知道

  参考

  objc-sync
  synchronized
  dispatch_once
  Built-in functions for atomic memory access
  __builtin_expect

• @synchronized采用的是递归互斥锁来实现线程安全，而dispatch_once的内部则使用了很多原子操作来替代锁，以及通过信号量来实现线程同步，而且有很多针对处理器优化的地方，甚至在if判断语句上也做了优化(逼格有点高)，使得其效率有很大的提升，虽然其源码很短，但里面包含的东西却很多，所以苹果也推荐使用dispatch_once来创建单例。通过这个简短的dispatch_once，你也可以清楚为什么GCD的性能会这么高了，感兴趣可以再去看看libdispatch的其它源码。。