線程同步概念想要解決的問題？

應(yīng)用程序里面多個線程的存在引發(fā)了多個執(zhí)行線程安全訪問資源的潛在問題。兩個線程同時(shí)修改同一資源有可能以意想不到的方式互相干擾。這個現(xiàn)象被稱為"數(shù)據(jù)競爭"。

線程之間不能且不應(yīng)該是完全獨(dú)立的，互不干擾的（要不設(shè)計(jì)來干嘛？）。所以在線程必須交互的情況下，你需要使用同步工具，來確保當(dāng)它們交互的時(shí)候是安全的。

同步工具

為了防止不同線程意外修改數(shù)據(jù)，你可以設(shè)計(jì)你的程序沒有同步問題，或你也可以使用同步工具。盡管完全避免出現(xiàn)同步問題相對更好一點(diǎn)，但是幾乎總是無法實(shí)現(xiàn)。

1.原子操作

原子操作是同步的一個簡單的形式，它處理簡單的數(shù)據(jù)類型。原子操作的優(yōu)勢是它們不妨礙競爭的線程。對于簡單的操作，比如遞增一個計(jì)數(shù)器，原子操作比使用鎖具有更高的性能優(yōu)勢。

2.內(nèi)存屏障和Volatile變量

內(nèi)存屏障（memory barrier）是一個使用來確保內(nèi)存操作按照正確的順序工作的非阻塞的同步工具。內(nèi)存屏障的作用就像一個柵欄，迫使處理器來完成位于障礙前面的任何加載和存儲操作，才允許它執(zhí)行位于屏障之后的加載和存儲操作。內(nèi)存屏障同樣使用來確保一個線程（但對另外一個線程可見）的內(nèi)存操作總是按照預(yù)定的順序完成。如果在這些地方缺少內(nèi)存屏障有可能讓其他線程看到看似不可能的結(jié)果（比如，內(nèi)存屏障的維基百科條目）。為了使用一個內(nèi)存屏障，你只要在你代碼里面需要的地方簡單的調(diào)用OSMemoryBarrier函數(shù)。

Volatile 變量適用于獨(dú)立變量的另一個內(nèi)存限制類型。編譯器優(yōu)化代碼通過加載這些變量的值進(jìn)入寄存器。對于本地變量，這通常不會有什么問題。但是如果一個變量對另外一個線程可見，那么這種優(yōu)化可能會阻止其他線程發(fā)現(xiàn)變量的任何變化。在變量之前加上關(guān)鍵字volatile可以強(qiáng)制編譯器每次使用變量的時(shí)候都從內(nèi)存里面加載。如果一個變量的值隨時(shí)可能給編譯器無法檢測的外部源更改，那么你可以把該變量聲明為volatile變量。

因?yàn)閮?nèi)存屏障和volatile變量降低了編譯器可執(zhí)行的優(yōu)化，因此你應(yīng)該謹(jǐn)慎使用它們，只在有需要的地方時(shí)候，以確保正確性。

3.鎖

• Mutex（互斥鎖）

一個互斥鎖對于資源來說很像是一個保護(hù)性的barrier。它是一種信號量機(jī)制，在同一時(shí)間只允許一個進(jìn)程來訪問資源。如果一個互斥鎖正在被一個線程獲取使用，另外一個線程如果想要使用的話就必須等待holder線程釋放這個鎖。多個一期請求的時(shí)候也只會有一個被賦予權(quán)限。

• Recursive lock（遞歸鎖）

遞歸鎖其實(shí)是互斥鎖的一個變種。就是一個線程可以多次持有一個鎖，其它線程像訪問的時(shí)候，這個線程必須把這個多次持有都釋放了。應(yīng)用場景是多個方法，每個都要單獨(dú)獲取鎖。

• Read-write lock（讀寫鎖）

共享互斥鎖。這個在客戶端和服務(wù)端有不同，對服務(wù)端而言，一個連接或者請求就是一個并發(fā)操作，而客戶端，因?yàn)橹挥幸粋€人，并發(fā)操作多指一個程序進(jìn)程內(nèi)的多個場景。就是多個讀操作可以一起整，而寫操作就必須等所有讀操作都完了。共享，并互斥。只有POSIX threads才支持。

• Distributed lock（分布鎖）

提供了process級別的互斥access。它不會真的把process鎖住。只是提個建議，告訴process自己最近很忙，要不要停一停。

• Spin lock（自旋鎖）

它會反復(fù)poll自己的lock conditon，直到lock conditon 變成 true。多是設(shè)計(jì)多核心應(yīng)用切換時(shí)候用的。

• Double-checked lock（雙重檢查鎖）

來回監(jiān)測，不安全，系統(tǒng)不提供

4.條件

條件是信號量的另外一個形式，它允許在條件為真的時(shí)候線程間互相發(fā)送信號。條件通常被使用來說明資源可用性，或用來確保任務(wù)以特定的順序執(zhí)行。當(dāng)一個線程測試一個條件時(shí)，它會被阻塞直到條件為真。它會一直阻塞直到其他線程顯式的修改信號量的狀態(tài)。條件和互斥鎖(mutex lock)的區(qū)別在于多個線程被允許同時(shí)訪問一個條件。條件更多是允許不同線程根據(jù)一些指定的標(biāo)準(zhǔn)通過的守門人。

一個方式是你使用條件來管理掛起事件的池。事件隊(duì)列可能使用條件變量來給等待線程發(fā)送信號，此時(shí)它們在事件隊(duì)列中的時(shí)候。如果一個事件到達(dá)時(shí)，隊(duì)列將給條件發(fā)送合適信號。如果一個線程已經(jīng)處于等待，它會被喚醒，屆時(shí)它將會取出事件并處理它。如果兩個事件到達(dá)隊(duì)列的時(shí)間大致相同，隊(duì)列將會發(fā)送兩次信號喚醒兩個線程。

系統(tǒng)通過幾個不同的技術(shù)來支持條件。

5.執(zhí)行slector

Cocoa程序包含了一個在一個線程以同步的方式傳遞消息的方便方法。NSObject類聲明方法來在應(yīng)用的一個活動線程上面執(zhí)行selector的方法。這些方法允許你的線程以異步的方式來傳遞消息，以確保它們在同一個線程上面執(zhí)行是同步的。比如，你可以通過執(zhí)行selector消息來把一個從你分布計(jì)算的結(jié)果傳遞給你的應(yīng)用的主線程或其他目標(biāo)線程。每個執(zhí)行selector的請求都會被放入一個目標(biāo)線程的run loop的隊(duì)列里面，然后請求會按照它們到達(dá)的順序被目標(biāo)線程有序的處理。

同步的成本

同步幫助確保你代碼的正確性，但同時(shí)將會犧牲部分性能。甚至在無競態(tài)的情況下，同步工具的使用將在后面介紹。鎖和原子操作通常包含了內(nèi)存屏障和內(nèi)核級別同步的使用來確保代碼正確被保護(hù)。如果，發(fā)生鎖的爭奪，你的線程有可能進(jìn)入阻塞，在體驗(yàn)上會產(chǎn)生更大的遲延。

• mutex獲得時(shí)間（0.2ms）

這個時(shí)間是沒有競爭條件下的。如果lock被另一個線程持有，時(shí)間就更長了。

• Atomic compare-and-swap（0.05）

如何進(jìn)行同步（注意事項(xiàng)）

• 當(dāng)心死鎖和活鎖

死鎖：當(dāng)兩個不同的線程分別保持一個鎖（而該鎖是另外一個線程需要的）又試圖獲得另外線程保持的鎖時(shí)就會發(fā)生死鎖。結(jié)果是每個線程都會進(jìn)入持久性阻塞狀態(tài)，因?yàn)樗肋h(yuǎn)不可能獲得另外那個鎖。

活鎖：當(dāng)兩個線程競爭同一個資源的時(shí)候就可能發(fā)生活鎖。在發(fā)生活鎖的情況里，一個線程放棄它的第一個鎖并試圖獲得第二個鎖。一旦它獲得第二個鎖，它返回并試圖再次獲得一個鎖。線程就會被鎖起來，因?yàn)樗ㄙM(fèi)所有的時(shí)間來釋放一個鎖，并試圖獲取其他鎖，而不做實(shí)際的工作。

• 正確使用Volatile變量

如果你已經(jīng)使用了一個互斥鎖來保護(hù)一個代碼段，不要自動假設(shè)你需要使用關(guān)鍵詞volatile來保護(hù)該代碼段的重要的變量。一個互斥鎖包含了內(nèi)存屏障來確保加載和存儲操作是按照正確順序的。在一個臨界區(qū)添加關(guān)鍵字volatile到變量上面會強(qiáng)制每次訪問該變量的時(shí)候都要從內(nèi)存里面從加載。這兩種同步技巧的組合使用在一些特定區(qū)域是必須的，但是同樣會導(dǎo)致顯著的性能損失。如果單獨(dú)使用互斥鎖已經(jīng)可以保護(hù)變量，那么忽略關(guān)鍵字volatile。

為了避免使用互斥鎖而不使用volatile變量同樣很重要。通常情況下，互斥鎖和其他同步機(jī)制是比volatile變量更好的方式來保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性。關(guān)鍵字volatile只是確保從內(nèi)存加載變量而不是使用寄存器里面的變量。它不保證你代碼訪問變量是正確的。

• 使用NSLock或相關(guān)協(xié)議類

互斥鎖要注意的是同一個鎖對象，被多個線程獲取的時(shí)候，多個線程都需要等待釋放，才能分配執(zhí)行。@synchorize其實(shí)是和NSLock一樣的東西，獲取了一個對象相關(guān)連的鎖， 但是編譯階段優(yōu)化回去還是個mutex。當(dāng)一個線程想要多次獲得一個鎖對象的時(shí)候要用遞歸鎖，要不就deadlock，大家可以挑一個。

• @synchorize

功能上像個語法糖。使用起來很簡單。但是有這么個過程，就是作為一種預(yù)防措施，@synchronized塊隱式的添加一個異常處理例程來保護(hù)代碼。該處理例程會在異常拋出的時(shí)候自動的釋放互斥鎖。這意味著為了使用@synchronized指令，你必須在你的代碼中啟用異常處理。了如果你不想讓隱式的異常處理例程帶來額外的開銷，你應(yīng)該考慮使用鎖的類。

• 使用條件

下篇有個簡單的例子

• 信號量機(jī)制

邏輯上是個PV操作可控制的值，具體使用就很多了。希望有機(jī)會補(bǔ)上。