浅析iOS中几种常见锁的简单用法

NSLock

一个对象，用于协调同一应用程序中多个执行线程的操作。

NSLock对象可用于调解对应用程序中全局数据的访问或保护代码的关键部分，从而允许它以原子方式运行。

警告: ️

NSLock类使用POSIX线程来实现其锁定行为。当向NSLock对象发送 unlock 消息，必须确保该消息是从发送初始锁定消息的同一线程发送的，即unlock和lock消息需要在同一线程中调用。解锁一个来自不同线程的lock可能导致未定义的行为。

不应该使用该类来实现递归锁。在同一线程中调用两次lock方法会永久地锁住当前线程。可以使用 NSRecursiveLock类来实现递归锁。

解锁一个未锁住的lock是编程错误，应该在代码中做相应的修复。 NSLock类会在控制台打印此类错误。

方法介绍

• - (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;

  尝试在给定时间之前获取一个锁，返回一个布尔值，指示是否获取成功。

  在limit之前获取成功，返回YES，否则为NO

  在receiver获取到锁或limit到达之前，线程会被阻塞

• - (BOOL)tryLock;

  尝试获取锁, 并立即返回一个布尔值，指示尝试是否成功。

  如果获取到锁，返回YES，否则返回NO

• @property(copy) NSString *name;

  可以使用 name 在代码中标识一个lock。Cocoa也会使用该名称作为错误描述的一部分

NSRecursiveLock

递归锁。可以在同一个线程中多次获取的锁，而不会造成死锁。

NSRecursiveLock 定义了一个锁，可以在同一个线程多次获取而不会造成死锁，这种情况下线程永久地被阻塞，等待它自身放弃一个锁。当锁定的线程有一个或多个锁时，所有其他线程都无法访问由锁保护的代码

有时候“加锁代码”中存在递归调用，递归开始前加锁，递归调用开始后会重复执行此方法以至于反复执行加锁代码最终造成死锁，这个时候可以使用递归锁来解决。使用递归锁可以在一个线程中反复获取锁而不造成死锁，这个过程中会记录获取锁和释放锁的次数，只有最后两者平衡锁才被最终释放。

NSRecursiveLock的方法和属性和NSLock的一样，这里不再赘述。

NSConditionLock

一个与特定地、用户自定义条件相关联的锁

使用 NSConditionLock对象，可以确保线程只有在满足某些条件时才能获取一个锁。一旦它获得了锁并执行了代码中的关键部分，线程可以放弃该锁并将相关条件设置为新的。这些条件可以是任意的：可以根据需要定义这些条件

初始化方法

• - (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition;

  condition: 用户自定义的条件。

属性

• @property(readonly) NSInteger condition;

  与receiver相关的条件，如果没有设置条件，该值为0；

获取/释放 锁

• - (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;

  尝试在指定时刻之前获取锁

  limit: 必须获取锁的日期，或者尝试将超时的日期。

  如果在限制时间内获得了锁，返回YES，否则为NO

  这个操作不会考虑与receiver相关的条件。该方法将阻塞线程执行，直到获得一个锁，或者到达limit指定的时间。

• - (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;

  condition: 匹配的条件

  在锁定操作成功之前，receiver的condition必须与condition相同。该方法将阻塞线程的执行，直到获得锁。

• - (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;

  在限定时间定获得锁，返回YES，否则返回NO

  在锁定操作成功之前，receiver的condition必须与condition相同。。该方法将阻塞线程的执行，直到获得锁或者到达limit指定的时间。

• - (BOOL)tryLock;

  尝试获取锁，不考虑receiver的condition

  获得锁，返回YES，否则为NO。

  该方法是立即返回的

• - (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;

  如果receiver的条件等于指定的condition，将尝试获取一个锁。

  获得锁，返回YES，否则为NO

  该方法将调用- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;方法作为它的实现的一部分。该方法是直接返回的。

• - (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;

  放弃锁并设置receiver的condition

属性

• @property(copy) NSString *name;

可以使用 name 在代码中标识一个lock。Cocoa也会使用该名称作为错误描述的一部分

NSCondition

条件对象在给定线程充当锁和检查点(checkpoint)。锁在测试条件和执行条件触发的任务的时候保护代码。检查点(checkpoint)行为要求在线程继续执行它的任务之前，条件为true。当条件不是true时，线程将阻塞。直到其他线程发出信号通知条件对象

使用NSCondition对象的语义如下所示：

1. 锁定条件对象
2. 测试一个布尔谓词(该谓词是代码中的布尔标志或者其他变量，指示执行condition保护的任务是否安全)
3. 如果该布尔谓词为false，则调用条件对象的- (void)wait;或- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;方法来阻塞线程。从这些方法返回后，跳到步骤2去重新测试你的布尔谓词。(继续等待并重新测试谓词，直到它为true)
4. 如果布尔谓词为true，执行任务
5. 更新任务影响的所有谓词(可选)
6. 当任务执行完毕，解锁条件对象

执行上述步骤的伪代码：

lock the condition（锁住该条件）
while (!(boolean_predicate)) {
    wait on condition（等待条件）
}
do protected work 执行任务
(optionally, signal or broadcast the condition again or change a predicate value)
(可选，再次发送信号或广播该条件，或者改变谓词的值) 
unlock the condition 解锁该条件

无论什么时候使用条件对象，第一步都是先锁定该条件。锁定条件可以确保谓词和任务代码不受其他使用相同条件的线程的干扰。一旦完成了任务，可以根据代码的需要设置其他的谓词或表示其他条件。
在保持条件对象的锁时，应该始终设置谓词和信号条件。

当一个线程等待一个条件，条件对象解锁它的锁定并阻塞该线程。当信号发出时，系统唤醒线程。条件对象在- (void)wait;和- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;方法返回之前获取其锁定。从线程的角度来说，就好像它一直持有该锁一样。

由于信令的工作方式，布尔谓词是使用条件的语义的重要组成部分。发送条件不能保证条件本身是ture。信号传导中涉及的时间问题可能会导致错误信号的出现。使用谓词可以确保这些伪信号在安全执行之前不会导致我们执行工作。谓词本身只是在代码中测试的一个标记或其他变量，以获取一个布尔值。

等待锁定的方法

• - (void)wait;

  阻塞当前线程，直到条件发出信号

  在调用此方法之前，必须锁定receiver。

• - (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;

  阻塞当前线程，直到条件成为信号或达到指定的时间限制。

  在调用此方法之前，必须锁定receiver。

• - (void)signal;

  向condition发信号，唤醒一个等待它的线程。

  可以使用该方法唤醒正在等待condition的一个线程。也可以多次调用该方法来唤醒多个线程。如果没有线程在等待condition，该方法将什么都不做

  为了避免竞争条件，应该只有当receiver被锁定时才调用该方法。

• - (void)broadcast;

  向condition发信号，唤醒等待条件的所有线程。

  如果没有正在等待条件的线程，该方法将什么都不做

  为避免竞争条件，应该只有当receiver被锁定时才调用该方法。

NSLocking 协议

根据名字，有的同学可能会误以为NSConditionLock、NSRecursiveLock是NSLock的子类，但其实NSLock、NSConditionLock、NSRecursiveLock
和NSCondition都是直接继承自NSObject，并都遵守NSLocking协议。

锁对象用于协调单个应用程序中多个执行线程的action。通过使用锁对象，应用程序可以保护代码中的关键部分，避免受到独立线程同时执行的影响。从而保护共享数据和其他共享资源遭到损坏。

NSLocking 定义了锁对象的类都会采用的基本方法

• - (void)lock;

  尝试获取一个锁，阻塞线程的执行，直到获得锁。

  应用程序通过在执行代码之前要求线程获取一个锁来保护代码中的关键部分。一旦关键代码部分完成之后，线程通过调用unlock来放弃锁。

• - (void)unlock;

  放弃之前获得的锁

遵守NSLocking协议的类有

• NSCondition
• NSConditionLock
• NSLock
• NSManagedObjectContext
• NSOpenGLContext
• NSPersistentStoreCoordinator
• NSRecursiveLock

iOS 锁的类型

临界区：指的是一块对公共资源进行访问的代码，并非一种机制或是算法。

1. 自旋锁：是用于多线程同步的一种锁，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显式释放自旋锁。 自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的。
   自旋锁： OSSpinLock、os_unfair_lock（os_unfair_lock是苹果官方推荐的替换OSSpinLock的方案，但是它在iOS10.0以上的系统才可以调用。）
2. 互斥锁（Mutex）：是一种用于多线程编程中，防止两条线程同时对同一公共资源（比如全局变量）进行读写的机制。该目的通过将代码切片成一个一个的临界区而达成。
   常见的互斥锁： NSLock、pthread_mutex、@synchronized、
3. 读写锁：是计算机程序的并发控制的一种同步机制，也称“共享-互斥锁”、多读者-单写者锁) 用于解决多线程对公共资源读写问题。读操作可并发重入，写操作是互斥的。 读写锁通常用互斥锁、条件变量、信号量实现。
   读写锁： pthread_rwlock、
4. 信号量（semaphore）：是一种更高级的同步机制，互斥锁可以说是semaphore在仅取值0/1时的特例。信号量可以有更多的取值空间，用来实现更加复杂的同步，而不单单是线程间互斥。
5. 条件锁：就是条件变量，当进程的某些资源要求不满足时就进入休眠，也就是锁住了。当资源被分配到了，条件锁打开，进程继续运行。
   NSCondition、NSConditionLock
6. 递归锁：递归锁有一个特点，就是同一个线程可以加锁N次而不会引发死锁。
   NSRecursiveLock、pthread_mutex(recursive)（pthread_mutex锁也支持递归，只需要设置PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE即可）