@synchronized是比较常见的线程间同步锁，其使用相当简单：
@synchronized (self) {
NSLog(@"-----synchronized-----");
}
可在上述代码synchronized行断点，并通过xcode转换为汇编代码，或通过终端用clang命令翻译源码：
clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /.../main.m
可看到 @synchronized 代码块调用了两个函数：
objc_sync_enter
objc_sync_exit
1. objc_sync_enter
必要时开辟一个关联着obj的互斥递归锁，进入与obj关联的同步工作，当获得锁之后返回OBJC_SYNC_SUCCESS。
// Begin synchronizing on 'obj'.
// Allocates recursive mutex associated with 'obj' if needed.
// Returns OBJC_SYNC_SUCCESS once lock is acquired.
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;
}
objc_sync_enter主要逻辑：
obj 不为空时，获取SyncData *data，取出data->mutex进行加锁；
obj 为空时，执行obj_sync_nil，通过源码查看其实什么也没有处理。
2. objc_sync_exit
int objc_sync_exit(id obj) {
int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
if (obj) {
SyncData* data = id2data(obj, RELEASE);
if (!data) {
result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
} else {
bool okay = data->mutex.tryUnlock();
if (!okay) {
result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
}
}
} else {
// @synchronized(nil) does nothing
}
return result;
}
objc_sync_exit 也是找到对应的 SyncData，然后进行解锁。
可以看出，@synchronized 核心是一个互斥递归锁。
objc_sync_enter 的过程主要是关于 SyncData 的创建、获取及相关处理，SyncData结构如下：
typedef struct alignas(CacheLineSize) SyncData {
struct SyncData* nextData;
DisguisedPtr object;
int32_t threadCount;
recursive_mutex_t mutex;
} SyncData;
3. id2data
id2data方法中可分为6个基本操作，简要过程如下：
static SyncData* id2data(id object, enum usage why) {
//// 步骤 1
//// 获取listp，及对其操作的锁lockp
spinlock_t *lockp = &LOCK_FOR_OBJ(object);
SyncData **listp = &LIST_FOR_OBJ(object);
SyncData* result = NULL;
#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
// Check per-thread single-entry fast cache for matching object
bool fastCacheOccupied = NO;
SyncData *data = (SyncData *)tls_get_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY);
if (data) {
//// 步骤 2
//// 从TLS中获取SyncData
// ....
}
#endif
// Check per-thread cache of already-owned locks for matching object
SyncCache *cache = fetch_cache(NO);
if (cache) {
//// 步骤 3
//// 从cache中获取SyncData
// ....
}
// Thread cache didn't find anything.
// Walk in-use list looking for matching object
// Spinlock prevents multiple threads from creating multiple
// locks for the same new object.
// We could keep the nodes in some hash table if we find that there are
// more than 20 or so distinct locks active, but we don't do that now.
lockp->lock();
{
//// 步骤 4
//// 在全局的listp中查找object对应的SyncData，并修改
// ....
}
//// 步骤 5
//// 创建新的SyncData，并头插至listp链表
// malloc a new SyncData and add to list.
// XXX calling malloc with a global lock held is bad practice,
// might be worth releasing the lock, mallocing, and searching again.
// But since we never free these guys we won't be stuck in malloc very often.
result = (SyncData*)calloc(sizeof(SyncData), 1);
result->object = (objc_object *)object;
result->threadCount = 1;
new (&result->mutex) recursive_mutex_t();
result->nextData = *listp;
*listp = result;
done:
lockp->unlock();
if (result) {
//// 步骤 6
//// 在TLS、cache中存储新创建的SyncData
}
return result;
}
具体实现可查苹果源码：https://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-680/runtime/objc-sync.mm
步骤1 — 获取listp，及对其操作的锁lockp
spinlock_t *lockp = &LOCK_FOR_OBJ(object);
SyncData **listp = &LIST_FOR_OBJ(object);
// 两个宏的定义
#define LOCK_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].lock
#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data
static StripedMap sDataLists;
其中，StripedMap是一个哈希表：
template
class StripedMap {
#if TARGET_OS_IPHONE && !TARGET_OS_SIMULATOR
enum { StripeCount = 8 };
#else
enum { StripeCount = 64 };
#endif
// 内部有一个T类型的value值
struct PaddedT {
T value alignas(CacheLineSize);
};
// array来存储PaddedT
PaddedT array[StripeCount];
// 哈希函数
static unsigned int indexForPointer(const void *p) {
uintptr_t addr = reinterpret_cast(p);
return ((addr >> 4) ^ (addr >> 9)) % StripeCount;
}
public:
T& operator[] (const void *p) {
return array[indexForPointer(p)].value;
}
// ...
StripedMap 内部是一个容量为8的数组，存储T类型的数据，当前存储的就是SyncList：
struct SyncList {
SyncData *data;
spinlock_t lock;
constexpr SyncList() : data(nil), lock(fork_unsafe_lock) { }
};
以上两个宏的主要作用是，通过哈希算法得出obj所在的SyncList，进一步取出对应的data和一把针对listp的spinlock_t锁。
步骤2 — 从TLS中获取SyncData
#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
// Check per-thread single-entry fast cache for matching object
// 检查单独线程的快速缓存
bool fastCacheOccupied = NO;
// 通过tls来获取SyncData
SyncData *data = (SyncData *)tls_get_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY);
if (data) {
fastCacheOccupied = YES;
// 校验取出的data是否和此次的object一致
if (data->object == object) {
// Found a match in fast cache.
uintptr_t lockCount;
result = data;
// 获取当前线程中对于object的加锁次数，因为是递归锁，所以存在多次加锁
lockCount = (uintptr_t)tls_get_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY);
if (result->threadCount <= 0 || lockCount <= 0) {
_objc_fatal("id2data fastcache is buggy");
}
switch(why) {
case ACQUIRE: {
// ACQUIRE类型表示新增加了一次锁
lockCount++;
tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);
break;
}
case RELEASE:
// RELEASE表示此次加锁结束了
lockCount--;
tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);
// 0代表当前线程已经没有针对object加锁，此时thread_count需要减一
if (lockCount == 0) {
// remove from fast cache
tls_set_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY, NULL);
// atomic because may collide with concurrent ACQUIRE
OSAtomicDecrement32Barrier(&result->threadCount);
}
break;
case CHECK:
// do nothing
break;
}
return result;
}
}
#endif
从当前线程的本地存储 TLS 中快速查找 obj 对应的 SyncData，若找到，则根据传入的参数ACQUIRE/RELEASE 来修改 lockCount 以及 threadCount，同时更新tls中的值。
步骤3 — 从cache中获取SyncData
如果tls中没有找到对应的SyncData，会进入步骤3：
// Check per-thread cache of already-owned locks for matching object
// 获取缓存
SyncCache *cache = fetch_cache(NO);
if (cache) {
unsigned int i;
for (i = 0; i < cache->used; i++) {
SyncCacheItem *item = &cache->list[i];
if (item->data->object != object) continue;
// 遍历cache查找object对应的cacheItem
// Found a match.
result = item->data;
if (result->threadCount <= 0 || item->lockCount <= 0) {
_objc_fatal("id2data cache is buggy");
}
switch(why) {
case ACQUIRE:
item->lockCount++;
break;
case RELEASE:
item->lockCount--;
if (item->lockCount == 0) {
// remove from per-thread cache
cache->list[i] = cache->list[--cache->used];
// atomic because may collide with concurrent ACQUIRE
OSAtomicDecrement32Barrier(&result->threadCount);
}
break;
case CHECK:
// do nothing
break;
}
return result;
}
}
顺带看一下 SyncCacheItem、fetch_cache 的实现：
typedef struct {
SyncData *data;
unsigned int lockCount; // number of times THIS THREAD locked this block
} SyncCacheItem;
static SyncCache *fetch_cache(bool create)
{
_objc_pthread_data *data;
data = _objc_fetch_pthread_data(create);
if (!data) return NULL;
if (!data->syncCache) {
if (!create) {
return NULL;
} else {
// 默认缓存容量为4
int count = 4;
data->syncCache = (SyncCache *)
calloc(1, sizeof(SyncCache) + count*sizeof(SyncCacheItem));
data->syncCache->allocated = count;
}
}
// Make sure there's at least one open slot in the list.
// 扩容
if (data->syncCache->allocated == data->syncCache->used) {
data->syncCache->allocated *= 2;
data->syncCache = (SyncCache *)
realloc(data->syncCache, sizeof(SyncCache)
+ data->syncCache->allocated * sizeof(SyncCacheItem));
}
return data->syncCache;
}
可以发现，其实和步骤2类似，步骤3会从 SyncCache 中取出对应的 SyncData，之后进行步骤2中类似的处理。
步骤4 — 查找并修改全局listp中与object对应的SyncData
若cache还没有创建，那么需要从全局的listp链表中寻找Syncdata，如果这也没找到，但是找到了空结点，就对空结点进行赋值。
// 加锁
lockp->lock();
{
SyncData* p;
SyncData* firstUnused = NULL;
// 在全局的listp链表中查找object对应的SyncData
for (p = *listp; p != NULL; p = p->nextData) {
if ( p->object == object ) {
result = p;
// atomic because may collide with concurrent RELEASE
// 找到说明当前线程是第一次对object进行加锁，此时需要threadCount+1
OSAtomicIncrement32Barrier(&result->threadCount);
goto done;
}
// 如果当前结点的threadCount为0，即当前结点对应的object没有一条线程有加锁操作
if ( (firstUnused == NULL) && (p->threadCount == 0) )
firstUnused = p;
}
// no SyncData currently associated with object
if ( (why == RELEASE) || (why == CHECK) )
goto done;
// an unused one was found, use it
// 如果找到一个没有用的结点，对结点进行重新初始化，重新赋值
if ( firstUnused != NULL ) {
result = firstUnused;
result->object = (objc_object *)object;
result->threadCount = 1;
goto done;
}
}
其中，可能会找到了空结点，这个空结点挺有意思。
步骤5 — 创建新的SyncData，并头插至listp链表
紧接着上面的listp查找，如果listp没有空结点，只能创建新的结点，并头插至链表listp中：
// 链表中的结点都被占用，此时只能创建新的结点了
posix_memalign((void **)&result, alignof(SyncData), sizeof(SyncData));
result->object = (objc_object *)object;
result->threadCount = 1;
new (&result->mutex) recursive_mutex_t(fork_unsafe_lock);
// 头插法插入到当前的listp链表中
result->nextData = *listp;
*listp = result;
步骤6 — 在TLS、cache中存储新建的SyncData
done:
// 此时object对应的syncdata已经创建完毕，并且存储完成，对于多线程已经没有了风险，可以解锁了
lockp->unlock();
if (result) {
...
#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
// 如果快速缓存即tls还没有被占用，存储快速缓存中
if (!fastCacheOccupied) {
// Save in fast thread cache
tls_set_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY, result);
tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)1);
} else
#endif
// 否则存储到线程的缓存syncCache中
{
// Save in thread cache
// cache不存在的话需要先创建cache
if (!cache) cache = fetch_cache(YES);
cache->list[cache->used].data = result;
cache->list[cache->used].lockCount = 1;
cache->used++;
}
}
return result;
id2data总结
关于 id2data 方法，其本质就是一个找object对应的SyncData的过程，先从tls即fast cache中找，再从线程的syncCache中找，最后从全局的listp链表中找，都找不到的话只能自己创建，然后存储到对应的位置。
StripedMap、listp 和 SyncData 的存储结构
从前面的代码可以看到，在ios系统中，全局的哈希表容量为8：
@synchronized数据之间的详细关系
id2data方法的完整调用流程
在分析过 id2data 后，回头在看 objc_sync_enter、objc_sync_exit 就比较简单了，也是找到对应的 SyncData，获取到递归互斥锁，然后进行加/解锁。
4. @synchronized 注意事项
以下代码意图在多线程中对_testArray进行初始化操作，在执行过程中出现了崩溃：
崩溃原因是同时有两条线程执行了赋值代码时，导致原有的_testArray旧值被释放了两次。
我们对操作加@synchronized锁，仍然出现了崩溃：
主要原因是以_testArray为参数加锁，当 _testArray 发生变化之后，在后续的线程和之前的线程中加锁的对象已经发生了变化，导致不同的线程取出了不一样的syncData，也导致锁的失效，从而引发了后续的崩溃问题。
如果我们针对self进行加锁，就可以避免这个问题。
参考文章：
https://juejin.cn/post/6903162266489880584
https://juejin.cn/post/6844904086161063944
https://www.jianshu.com/p/a816e8cf3646