SDWebImage学习笔记之@synchronized和semaphore

概述

多线程处理一直是网络请求中的重要部分，为了保证线程安全，即同一时刻只允许有一个线程访问资源，常见的处理方式有关键字@synchronized和信号量semaphore。

@synchronized

@synchronized会创建一个互斥锁，对传入的对象加锁，保证该对象在@synchronized的作用域中只会被一个线程访问，代码结构如下：

// 对self对象加锁
@synchronized(self) {
    // 锁的作用域
    ......
}

传入的参数self表示当前类的实例，表示对当前类的实例加锁，传入的参数也可以是属性或者OC类型的变量，但不能是基本类型。

大括号内的代码代表了锁的作用域，在该作用域内，同时只允许由一个线程访问。也就是说，该作用域内的代码，同一时间只能由一个线程执行。下面来看具体的例子。

// 打印日志
- (void)printAfterSleep
{
    @synchronized(self) {
        sleep(5);
        NSLog(@"printAfterSleep");
    }
}

// 创建一个并发队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 异步执行，创建一个新的线程
dispatch_async(queue, ^{
    [self printAfterSleep];
});
// 异步执行，创建一个新的线程
dispatch_async(queue, ^{
    [self printAfterSleep];
});

日志输出：

// 等待5s后打印
printAfterSleep
// 再等待5s后打印
printAfterSleep

代码创建了一个并发队列，并发对列在异步执行时，会创建创建两个线程，这两个线程同时访问self，由于@synchronized对self加上了互斥锁，使得同一时间只有一个线程可以访问，另一个线程被阻塞，直到前一个线程执行结束，后一个线程才可以继续访问。所以，前一个线程休眠5s后打印第一个“printAfterSleep”，后一个线程休眠5s再打印第二个“printAfterSleep”。

Tips：假如创建的是串行队列，异步执行只会创建一个新线程，所有的block都会插入到这个队列中去，代码会按先进先出的顺序执行，所以跟加锁后的效果是一样的，但是这并不算多线程处理。

假如去掉这个@synchronized，允许两个线程同时访问self，那么两个线程同时休眠5s后会同时打印“printAfterSleep”。

- (void)printAfterSleep
{
    sleep(5);
    NSLog(@"printAfterSleep");
}

日志输出：

// 等待5s后同时打印
printAfterSleep
printAfterSleep

同理，可以推广到两个及以上的多线程处理中去。

信号量semaphore

semaphore是GCD中用于保证线程安全的处理方式。

假设一个房间最大只能容纳n人，有m(m>n)个人想进这个房间，他们可能是同时到达房间门口，也可能是先后到达，不管哪种情况，最多只允许n个人进去，其他人只能在门口等着，里面的人不出来，外面的人的就进不去，直到里面有人出来，出来一个，才能进去一个。

对照这个例子，把资源看作房间，信号量看作房间最大容纳人数，线程看作人，信号量的初始值为n，线程数量为m(m>n)，每有一个线程访问资源，信号量就会-1，信号量为0时，其他线程被阻塞，不允许访问资源，直到有线程释放资源，信号量+1，才允许新的线程访问。

参照上面@synchronized，来看基于信号量对资源加锁的方法，代码如下：

// 打印日志
- (void)printAfterSleep
{
    sleep(5);
    NSLog(@"printAfterSleep");
}

// 创建一个初始值为2的信号量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(2);
// 创建一个串行队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 异步执行，创建一个新线程
dispatch_async(queue, ^{
    dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    [self printAfterSleep];
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
});
// 异步执行，创建一个新线程
dispatch_async(queue, ^{
    dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    [self printAfterSleep];
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
});
// 异步执行，创建一个新线程
dispatch_async(queue, ^{
    dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    [self printAfterSleep];
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);
});

日志输出：

// 等待5s后后打印两次
printAfterSleep
printAfterSleep 
// 再等5s后打印
printAfterSleep

dispatch_semaphore_create创建一个初始值为n=2（n>=0）的信号量，表示允许2个线程同时访问资源。

dispatch_semaphore_wait方法传入两个参数（信号量和超时时间），方法判断当前信号量是否大于0，大于0时继续执行后续代码，并使信号量-1；如果信号量的值为0，就阻塞当前线程并等待超时，阻塞期间发现信号量的值大于0，或者超时结束，会自动执行后续代码。

Tips：超时时间的类型为dispatch_time_t，默认有两个值可选：DISPATCH_TIME_NOW（立即超时）和DISPATCH_TIME_FOREVER（永不超时）。

dispatch_semaphore_signal方法会使信号量+1。

dispatch_semaphore_wait方法和dispatch_semaphore_signal方法都有返回值，且都是long类型的。dispatch_semaphore_wait返回值为0表示超时时间内信号量不为0，当前线程被唤醒；返回值不为0表示超时后信号量的值依然为0。dispatch_semaphore_signal返回值为0表示当前没有线程在等待该线程拥有的信号量，释放信号量后，信号量只需要+1，返回值不为0表示当前有一个或多个线程在等待该线程拥有的信号量，它还需要根据优先级顺序（或随机）唤醒一个等待的线程。

假如去掉信号量的逻辑，就会出现同时打印三次“printAfterSleep”的情况。

@synchronized和semaphore在SDWebImage中的应用

@synchronized和semaphore在SDWebImage中的应用有很多，本文以SDWebImageDownloaderOperation类来阐述。

SDWebImage库Downloader模块中的SDWebImageDownloaderOperation类负责执行下载任务，它定义了一个属性callbackBlocks

typedef NSMutableDictionary SDCallbacksDictionary;

@property (strong, nonatomic, nonnull) NSMutableArray *callbackBlocks;

callbackBlocks是一个可变素组，其中每个元素是SDCallbacksDictionary类型的字典，用键值对的方式保存每个下载任务的progressBlock和completedBlock。progressBlock和completedBlock由外部传入，负责下载过程中和下载完成时或下载异常情况的处理。

在对callbackBlocks属性访问的过程中，不管是添加元素，还是获取元素，都使用了信号量对callbackBlocks加锁，且信号量的初始值为1，即同时只允许一个线程访问，保证了数据的一致性和线程安全。

#define LOCK(lock) dispatch_semaphore_wait(lock, DISPATCH_TIME_FOREVER);
#define UNLOCK(lock) dispatch_semaphore_signal(lock);

// addHandlersForProgress:completed:方法
LOCK(self.callbacksLock);
[self.callbackBlocks addObject:callbacks];
UNLOCK(self.callbacksLock);

// callbacksForKey方法
LOCK(self.callbacksLock);
NSMutableArray *callbacks = [[self.callbackBlocks valueForKey:key] mutableCopy];
UNLOCK(self.callbacksLock);

在start方法中，用@synchronized对self对象加锁，保证同时只允许一个线程访问。

// 开始加载数据
- (void)start {
    @synchronized (self) {
        ......
    }
}

总结

笔者猜想，SDWebImage库作者这么设计的目的是，SDWebImageDownloaderOperatio对象由init方法创建，对象可以在任意时机多次调用addHandlersForProgress:completed:来修改callbackBlocks，为了避免访问（读和写）异常，设计了信号量机制。而且start方法也可能会被多次调用，为了防止一段代码被同时执行多次而引起的异常，设计了@synchronized互斥锁机制。

SDWebImage学习笔记之@synchronized和semaphore

概述

@synchronized

信号量semaphore

@synchronized和semaphore在SDWebImage中的应用

总结

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