底层-多线程

iOS中的常见多线程方案

GCD的常用函数

• GCD中有2个用来执行任务的函数

• 用同步的方式执行任务

dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block)

• 用异步的方式执行任务

dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

• queue：队列
• block：任务

GCD源码：https://github.com/apple/swift-corelibs-libdispatch

GCD的队列

• GCD的队列可以分为2大类型

  • 并发队列（Concurrent Dispatch Queue）

  • 可以让多个任务并发（同时）执行（自动开启多个线程同时执行任务）
  • 并发功能只有在异步（dispatch_async）函数下才有效

  • 串行队列（Serial Dispatch Queue）

  • 让任务一个接着一个地执行（一个任务执行完毕后，再执行下一个任务）

容易混淆的术语

• 有4个术语比较容易混淆：同步、异步、并发、串行

  • 同步和异步主要影响：能不能开启新的线程

  • 同步：在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力
  • 异步：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力

  • 并发和串行主要影响：任务的执行方式

  • 并发：多个任务并发（同时）执行
  • 串行：一个任务执行完毕后，再执行下一个任务

各种队列的执行效果

• 使用sync函数往当前串行队列中添加任务，会卡住当前的串行队列（产生死锁）

  
  
  
  
  
  

队列组的使用

• 思考：如何用gcd实现以下功能
  • 异步并发执行任务1、任务2
  • 等任务1、任务2都执行完毕后，再回到主线程执行任务3

多线程的安全隐患

• 资源共享

• 1块资源可能会被多个线程共享，也就是多个线程可能会访问同一块资源
• 比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件

• 当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题

多线程安全隐患示例01 – 存钱取钱

多线程安全隐患示例02 – 卖票

多线程安全隐患分析

多线程安全隐患的解决方案

• 解决方案：使用线程同步技术（同步，就是协同步调，按预定的先后次序进行）

• 常见的线程同步技术是：加锁

  
  

iOS中的线程同步方案

OSSpinLock
os_unfair_lock
pthread_mutex
dispatch_semaphore
dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
NSLock
NSRecursiveLock
NSCondition
NSConditionLock
@synchronized

GNUstep

• GNUstep是GNU计划的项目之一，它将Cocoa的OC库重新开源实现了一遍

• 源码地址：http://www.gnustep.org/resources/downloads.php

• 虽然GNUstep不是苹果官方源码，但还是具有一定的参考价值

OSSpinLock

• OSSpinLock叫做”自旋锁”，等待锁的线程会处于忙等（busy-wait）状态，一直占用着CPU资源
• 目前已经不再安全，可能会出现优先级反转问题

• 如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用着CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁

• 优先级低的线程就无法释放锁
  需要导入头文件#import

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

  
  

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

  
  

pthread_mutex – 递归锁

pthread_mutex – 条件

NSLock、NSRecursiveLock

• NSLock是对mutex普通锁的封装

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

NSCondition

• NSCondition是对mutex和cond的封装

  
  

NSConditionLock

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

  
  

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

  
  

dispatch_queue

• 直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步的

  
  

@synchronized

• @synchronized是对mutex递归锁的封装
• 源码查看：objc4中的objc-sync.mm文件
• @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作

iOS线程同步方案性能比较

• 性能从高到低排序

os_unfair_lock
OSSpinLock
dispatch_semaphore
pthread_mutex
dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
NSLock
NSCondition
pthread_mutex(recursive)
NSRecursiveLock
NSConditionLock
@synchronized

自旋锁、互斥锁比较

• 什么情况使用自旋锁比较划算？

• 预计线程等待锁的时间很短
• 加锁的代码（临界区）经常被调用，但竞争情况很少发生
• CPU资源不紧张
• 多核处理器

• 什么情况使用互斥锁比较划算？

• 预计线程等待锁的时间较长
• 单核处理器
• 临界区有IO操作
• 临界区代码复杂或者循环量大
• 临界区竞争非常激烈

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

iOS中的读写安全方案

• 思考如何实现以下场景

• 同一时间，只能有1个线程进行写的操作
• 同一时间，允许有多个线程进行读的操作
• 同一时间，不允许既有写的操作，又有读的操作

• 上面的场景就是典型的“多读单写”，经常用于文件等数据的
  读写操作，iOS中的实现方案有

• pthread_rwlock：读写锁
• dispatch_barrier_async：异步栅栏调用

pthread_rwlock

• 等待锁的线程会进入休眠

  
  

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