8. iOS中的多线程—

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

例程:

/**
 *设置属性值
 */
-(void)setMyTestString:(NSString *)myTestString{
    @synchronized(self) {
        // todo something
        _myTestString = myTestString;
    }
}

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。
例程：

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。
例程：

#import "ViewController.h"
#import 
@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
例程：

// 头文件
#import 
// 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)

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：

点击这里，参考网址

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。。。）

> 划重点：自旋锁是线程不安全的在 ibireme 的不再安全的 OSSpinLock有解释，进一步的ibireme在文中也有提到苹果在新系统中已经优化了 pthread_mutex 的性能，所以它看上去和 OSSpinLock 差距并没有那么大，所以笔者觉得不妨多了解了解`pthread_mutex`

pthread_mutex

    __block pthread_mutex_t theLock;
    pthread_mutex_init(&theLock, NULL);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            pthread_mutex_lock(&theLock);
            NSLog(@"需要线程同步的操作1 开始");
            sleep(3);
            NSLog(@"需要线程同步的操作1 结束");
            pthread_mutex_unlock(&theLock);
        
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            sleep(1);
            pthread_mutex_lock(&theLock);
            NSLog(@"需要线程同步的操作2");
            pthread_mutex_unlock(&theLock);
        
    });

c语言定义下多线程加锁方式。

pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex,const pthread_mutexattr_t attr);
初始化锁变量mutex。attr为锁属性，NULL值为默认属性。
pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);加锁
pthread_mutex_tylock(pthread_mutex_t* mutex);加锁，但是与2不一样的是当锁已经在使用的时候，返回为EBUSY，而不是挂起等待。
pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);释放锁
pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* *mutex);使用完后释放

代码执行操作结果如下：

2016-06-30 21:13:32.440 SafeMultiThread[31429:548869] 需要线程同步的操作1 开始
2016-06-30 21:13:35.445 SafeMultiThread[31429:548869] 需要线程同步的操作1 结束
2016-06-30 21:13:35.446 SafeMultiThread[31429:548866] 需要线程同步的操作2

pthread_mutex(recursive)

    __block pthread_mutex_t theLock;
    //pthread_mutex_init(&theLock, NULL);
    
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    pthread_mutex_init(&lock, &attr);
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        static void (^RecursiveMethod)(int);
        
        RecursiveMethod = ^(int value) {
            
            pthread_mutex_lock(&theLock);
            if (value > 0) {
                
                NSLog(@"value = %d", value);
                sleep(1);
                RecursiveMethod(value - 1);
            }
            pthread_mutex_unlock(&theLock);
        };
        
        RecursiveMethod(5);
    });

这是pthread_mutex为了防止在递归的情况下出现死锁而出现的递归锁。作用和NSRecursiveLock递归锁类似。
如果使用pthread_mutex_init(&theLock, NULL);初始化锁的话，上面的代码会出现死锁现象，但是改成使用递归锁的形式，则没有问题。

8. iOS中的多线程——锁