iOS多线程安全-锁

声明：本文主要参考文章iOS多线程安全-13种线程锁，整理了代码格式，看起来更舒服一些

1、为什么要线程安全
2、自旋锁和互斥锁
3、锁的类型
- 1、OSSpinLock
- 2、os_unfair_lock
- 3、pthread_mutex
- 4、dispatch_semaphore
- 5、dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
- 6、NSLock
- 7、NSRecursiveLock
- 8、NSCondition
- 9、NSConditionLock
- 10、@synchronized
- 11、pthread_rwlock
- 12、dispatch_barrier_async
- 13、atomic
4、锁的性能比较

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。一个大家都喜欢拿来举例子的就是买票demo，今天我使用这个案例 假设有100张票，同时开5个窗口买票，5个窗口买票，我们来看看结果

//卖票演示
- (void)ticketTest
{
  self.ticketsCount = 50;
  dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

  for (NSInteger i = 0; i < 5; i++) 
  {
    dispatch_async(queue, ^{
      for (int i = 0; i < 10; i++) {
        [self sellingTickets];
      }
    });
  }
}
//卖票
- (void)sellingTickets
{
  int oldMoney = self.ticketsCount;
  sleep(.2);
  oldMoney -= 1;
  self.ticketsCount = oldMoney;
  NSLog(@"当前剩余票数-> %d", oldMoney);
}

image.png

正常情况下我有50张票，然后卖了50次，剩余票数应该是0，但是打印结果竟然是3，所以这里就存在了线程安全问题。

出现线程安全的原因

image.png

出现线程安全的原因就是在同一个时间，多个线程同时读取一个值，像线程A和B同时读取了当前票数为10，等于是卖了两张票，但是总票数其实就减少了一张。

解决方法

使用线程同步技术，按照预定的先后次序依次进行，常见的线程同步技术就是加锁

image.png

自旋锁和互斥锁

自旋锁(Spin lock)

自旋锁与互斥锁有点类似，只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。其作用是为了解决某项资源的互斥使用。因为自旋锁不会引起调用者睡眠，所以自旋锁的效率远高于互斥锁。虽然它的效率比互斥锁高，但是它也有些不足之处： 1、自旋锁一直占用CPU，他在未获得锁的情况下，一直运行－－自旋，所以占用着CPU，如果不能在很短的时间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低。 2、在用自旋锁时有可能造成死锁，当递归调用时有可能造成死锁，调用有些其他函数也可能造成死锁，如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等。因此我们要慎重使用自旋锁，自旋锁只有在内核可抢占式或SMP的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占式的内核下，自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况下。

互斥锁

互斥锁属于sleep-waiting类型的锁。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B)，它们分别运行在Core0和 Core1上。假设线程A想要通过pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁，而此时这个锁正被线程B所持有，那么线程A就会被阻塞 (blocking)，Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中，此时Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而自旋锁则不然，它属于busy-waiting类型的锁，如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁，那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求，直到得到这个锁为止。

两种锁的加锁原理

互斥锁：线程会从sleep（加锁）——>running（解锁），过程中有上下文的切换，cpu的抢占，信号的发送等开销。

自旋锁：线程一直是running(加锁——>解锁)，死循环检测锁的标志位，机制不复杂。

对比互斥锁的起始原始开销要高于自旋锁，但是基本是一劳永逸，临界区持锁时间的大小并不会对互斥锁的开销造成影响，而自旋锁是死循环检测，加锁全程消耗cpu，起始开销虽然低于互斥锁，但是随着持锁时间，加锁的开销是线性增长。

两种锁的应用

互斥锁用于临界区持锁时间比较长的操作，比如下面这些情况都可以考虑

1 临界区有IO操作
2 临界区代码复杂或者循环量大
3 临界区竞争非常激烈
4 单核处理器

至于自旋锁就主要用在临界区持锁时间非常短且CPU资源不紧张的情况下，自旋锁一般用于多核的服务器。

13种锁

1、OSSpinLock

OSSpinLock叫做”自旋锁”，使用时需要导入头文件#import

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

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

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

//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

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);

具体代码

#import "pthread_mutexDemo.h"
#import 
@interface pthread_mutexDemo()
@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t ticketMutex;
@end

@implementation pthread_mutexDemo

- (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_DEFAULT);
        // 初始化锁
        pthread_mutex_init(&(_ticketMutex), &attr);
        // 销毁属性
        pthread_mutexattr_destroy(&attr);
    }
    return self;
}

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

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);
}

image.png

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。

#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)

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

@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

使用起来也是十分的简单

#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

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

#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

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

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

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


// 线程1
// 删除数组中的元素
- (void)__remove
{
    [self.condition lock];
    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];
}

7、NSConditionLock

NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值

@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
复制代码

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

@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

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

//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);

@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

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

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

@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。

关于 @synchronized，这儿比你想知道的还要多

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：读写锁

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

//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);

#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

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, ^{

});

锁的性能比较

性能从高到低排序

1、os_unfair_lock
2、OSSpinLock
3、dispatch_semaphore
4、pthread_mutex
5、dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
6、NSLock
7、NSCondition
8、pthread_mutex(recursive)
9、NSRecursiveLock
10、NSConditionLock
11、@synchronized

iOS多线程安全-锁

为什么要线程安全

自旋锁和互斥锁

13种锁

1、OSSpinLock

2、os_unfair_lock

3、pthread_mutex

4、NSLock

5、NSRecursiveLock

6、NSCondition

7、NSConditionLock

8、dispatch_semaphore

9、dispatch_queue

10、@synchronized

11、atomic

12、pthread_rwlock：读写锁

13、dispatch_barrier_async

锁的性能比较

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