线程安全的设计技巧

同步工具的使用固然能保障我们代码线程安全，但是频繁地使用也会对应用程序的性能造成负面影响。因此，在安全与性能之间权衡是一门经验学问。下面提供了一些应用程序使用同步工具时的技巧。
来源：Threading Programming Guide__Tips for Thread-Safe Designs

1、最好能避免使用同步工具

同步工具确实会影响任何应用程序的性能，如果在设计上使得某个资源会被高度竞争，那么线程等待的时间可能会更长。
在实现并发时，比较优雅的使用方式是减少这些并发任务之间的交互和依赖。如果每个任务都在任务本身的私有数据集上运行，则不需要锁等同步工具去保护这些数据。如果必须要多任务共享单个数据集，可以考虑单独为每个任务拷贝一份副本，当然，使用时得权衡数据拷贝成本和同步工具成本的权衡问题。

2、理解同步工具的局限性

同步工具只有应用程序中所有线程保持统一使用时才体现其效果。举个例子，如果创建了一个互斥锁用于限制对特定资源的访问，那么在操纵资源之前，所有的线程必须获得相同的互斥锁。如果不这样做，会破坏互斥锁所提供的保护。

3、注重代码的逻辑

使用锁和内存屏障时，应该始终考虑它们在代码中的位置。
相关使程序线程安全的示例，可参考：Thread Safety Summary

4、提防死锁和活锁（deadlocks， livelocks）

当线程试图同时获取多个被锁的资源时，就会可能引发死锁。当线程A持有加锁资源a，线程B持有加锁资源b，而它们在释放锁之前都企图获取对方线程上的资源，此时线程A等待线程B释放资源b，线程B等待线程A释放资源a，因此两者会一直在等待（阻塞） 。

产生死锁需要符合的必要条件：
1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

活锁指的是任务或者执行者没有被阻塞，由于某些条件没有满足，导致一直重复尝试，失败，尝试，失败。 活锁和死锁的区别在于，处于活锁的实体是在不断的改变状态，所谓的“活”， 而处于死锁的实体表现为等待；活锁有可能自行解开，死锁则不能。

百度百科有一段比较粗俗的描述~：
死锁：迎面开来的汽车A和汽车B过马路，汽车A得到了半条路的资源（满足死锁发生条件1：资源访问是排他性的，我占了路你就不能上来，除非你爬我头上去），汽车B占了汽车A的另外半条路的资源，A想过去必须请求另一半被B占用的道路（死锁发生条件2：必须整条车身的空间才能开过去，我已经占了一半，尼玛另一半的路被B占用了），B若想过去也必须等待A让路，A是辆兰博基尼，B是开奇瑞QQ的屌丝，A素质比较低开窗对B狂骂：快给老子让开，B很生气，你妈逼的，老子就不让（死锁发生条件3：在未使用完资源前，不能被其他线程剥夺），于是两者相互僵持一个都走不了（死锁发生条件4：环路等待条件），而且导致整条道上的后续车辆也走不了。
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活锁：马路中间有条小桥，只能容纳一辆车经过，桥两头开来两辆车A和B，A比较礼貌，示意B先过，B也比较礼貌，示意A先过，结果两人一直谦让谁也过不去 。

5、正确地使用Volatile变量

若当前已使用互斥锁保护代码，无须再设置volatile关键字去保护需要保护的变量。因互斥锁中已经包含一个内存屏障，数据的加载和存储操作的顺序得到了保障。如果再使用volatile修饰锁中变量，会强制每次访问都从内存中加载 ，带来一定的性能损耗，因此可省略volaitle关键字。
同时，对比volatile而言，互斥锁和其他的一些同步机制是保护数据结构完整性的更好的方法，因为volatil关键字仅保障不从寄存器只从内存中加载变量，却不能保障代码是否能正确地访问变量。

参考资料：
1、stackoverflow
2、死锁
3、活锁
4、ios多线程死锁解析
5、维基百科