在日常開發(fā)過程中，為了提升程序運(yùn)行效率，以及用戶體驗，我們經(jīng)常使用多線程。在使用多線程的過程中，難免會遇到資源競爭問題。我們采用鎖的機(jī)制來確保線程安全。
線程安全
當(dāng)一個線程訪問數(shù)據(jù)的時候，其他的線程不能對其進(jìn)行訪問，直到該線程訪問完畢。即，同一時刻，對同一個數(shù)據(jù)操作的線程只有一個。只有確保了這樣，才能使數(shù)據(jù)不會被其他線程污染。而線程不安全，則是在同一時刻可以有多個線程對該數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，從而得不到預(yù)期的結(jié)果。
比如寫文件和讀文件，當(dāng)一個線程在寫文件的時候，理論上來說，如果這個時候另一個線程來直接讀取的話，那么得到將是不可預(yù)期的結(jié)果。
為了線程安全，我們可以使用鎖的機(jī)制來確保，同一時刻只有同一個線程來對同一個數(shù)據(jù)源進(jìn)行訪問。在開發(fā)過程中我們通常使用以下幾種鎖。
- NSLock
- NSRecursiveLock
- NSCondition
- NSConditionLock
- pthread_mutex
- pthread_rwlock
- POSIX Conditions
- OSSpinLock
- os_unfair_lock
- dispatch_semaphore
- @synchronized
信號量
在多線程環(huán)境下用來確保代碼不會被并發(fā)調(diào)用。在進(jìn)入一段代碼前，必須獲得一個信號量，在結(jié)束代碼前，必須釋放該信號量，其他想要想要執(zhí)行該代碼的線程必須等待直到前者釋放了該信號量。
以一個停車場的運(yùn)作為例。簡單起見，假設(shè)停車場只有三個車位，一開始三個車位都是空的。這時如果同時來了五輛車，看門人允許其中三輛直接進(jìn)入，然后放下車攔，剩下的車則必須在入口等待，此后來的車也都不得不在入口處等待。這時，有一輛車離開停車場，看門人得知后，打開車攔，放入外面的一輛進(jìn)去，如果又離開兩輛，則又可以放入兩輛，如此往復(fù)。
在這個停車場系統(tǒng)中，車位是公共資源，每輛車好比一個線程，看門人起的就是信號量的作用。
互斥鎖
一種用來防止多個線程同一時刻對共享資源進(jìn)行訪問的信號量，它的原子性確保了如果一個線程鎖定了一個互斥量，將沒有其他線程在同一時間可以鎖定這個互斥量。它的唯一性確保了只有它解鎖了這個互斥量，其他線程才可以對其進(jìn)行鎖定。當(dāng)一個線程鎖定一個資源的時候，其他對該資源進(jìn)行訪問的線程將會被掛起，直到該線程解鎖了互斥量，其他線程才會被喚醒，進(jìn)一步才能鎖定該資源進(jìn)行操作。
NSLock
NSLock實(shí)現(xiàn)了最基本的互斥鎖，遵循了 NSLocking 協(xié)議，通過 lock 和 unlock 來進(jìn)行鎖定和解鎖。其使用也非常簡單
- (void)doSomething {
[self.lock lock];
//TODO: do your stuff
[self.lock unlock];
}
由于是互斥鎖，當(dāng)一個線程進(jìn)行訪問的時候，該線程獲得鎖，其他線程進(jìn)行訪問的時候，將被操作系統(tǒng)掛起，直到該線程釋放鎖，其他線程才能對其進(jìn)行訪問，從而卻確保了線程安全。但是如果連續(xù)鎖定兩次，則會造成死鎖問題。那如果想在遞歸中使用鎖，那要怎么辦呢，這就用到了 NSRecursiveLock 遞歸鎖。
NSRecursiveLock
遞歸鎖，顧名思義，可以被一個線程多次獲得，而不會引起死鎖。它記錄了成功獲得鎖的次數(shù)，每一次成功的獲得鎖，必須有一個配套的釋放鎖和其對應(yīng)，這樣才不會引起死鎖。只有當(dāng)所有的鎖被釋放之后，其他線程才可以獲得鎖
NSRecursiveLock *theLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
void MyRecursiveFunction(int value)
{
[theLock lock];
if (value != 0)
{
--value;
MyRecursiveFunction(value);
}
[theLock unlock];
}
MyRecursiveFunction(5);
NSCondition
NSCondition 是一種特殊類型的鎖，通過它可以實(shí)現(xiàn)不同線程的調(diào)度。一個線程被某一個條件所阻塞，直到另一個線程滿足該條件從而發(fā)送信號給該線程使得該線程可以正確的執(zhí)行。比如說，你可以開啟一個線程下載圖片，一個線程處理圖片。這樣的話，需要處理圖片的線程由于沒有圖片會阻塞，當(dāng)下載線程下載完成之后，則滿足了需要處理圖片的線程的需求，這樣可以給定一個信號，讓處理圖片的線程恢復(fù)運(yùn)行。
- (void)download {
[self.condition lock];
//TODO: 下載文件代碼
if (donloadFinish) { // 下載結(jié)束后，給另一個線程發(fā)送信號，喚起另一個處理程序
[self.condition signal];
[self.condition unlock];
}
}
- (void)doStuffWithDownloadPicture {
[self.condition lock];
while (!donloadFinish) {
[self.condition wait];
}
//TODO: 處理圖片代碼
[self.condition unlock];
}
NSConditionLock
NSConditionLock 對象所定義的互斥鎖可以在使得在某個條件下進(jìn)行鎖定和解鎖。它和 NSCondition 很像，但實(shí)現(xiàn)方式是不同的。
當(dāng)兩個線程需要特定順序執(zhí)行的時候，例如生產(chǎn)者消費(fèi)者模型，則可以使用 NSConditionLock 。當(dāng)生產(chǎn)者執(zhí)行執(zhí)行的時候，消費(fèi)者可以通過特定的條件獲得鎖，當(dāng)生產(chǎn)者完成執(zhí)行的時候，它將解鎖該鎖，然后把鎖的條件設(shè)置成喚醒消費(fèi)者線程的條件。鎖定和解鎖的調(diào)用可以隨意組合，lock 和 unlockWithCondition: 配合使用 lockWhenCondition: 和 unlock 配合使用。
- (void)producer {
while (YES) {
[self.conditionLock lock];
NSLog(@"have something");
self.count++;
[self.conditionLock unlockWithCondition:1];
}
}
- (void)consumer {
while (YES) {
[self.conditionLock lockWhenCondition:1];
NSLog(@"use something");
self.count--;
[self.conditionLock unlockWithCondition:0];
}
}
當(dāng)生產(chǎn)者釋放鎖的時候，把條件設(shè)置成了1。這樣消費(fèi)者可以獲得該鎖，進(jìn)而執(zhí)行程序，如果消費(fèi)者獲得鎖的條件和生產(chǎn)者釋放鎖時給定的條件不一致，則消費(fèi)者永遠(yuǎn)無法獲得鎖，也不能執(zhí)行程序。同樣，如果消費(fèi)者釋放鎖給定的條件和生產(chǎn)者獲得鎖給定的條件不一致的話，則生產(chǎn)者也無法獲得鎖，程序也不能執(zhí)行。
pthread_mutex
POSIX 互斥鎖是一種超級易用的互斥鎖，使用的時候，只需要初始化一個 pthread_mutex_t 用 pthread_mutex_lock 來鎖定 pthread_mutex_unlock 來解鎖，當(dāng)使用完成后，記得調(diào)用 pthread_mutex_destroy 來銷毀鎖。
pthread_mutex_init(&lock,NULL);
pthread_mutex_lock(&lock);
//do your stuff
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_mutex_destroy(&lock);
pthread_rwlock
讀寫鎖，在對文件進(jìn)行操作的時候，寫操作是排他的，一旦有多個線程對同一個文件進(jìn)行寫操作，后果不可估量，但讀是可以的，多個線程讀取時沒有問題的。
- 當(dāng)讀寫鎖被一個線程以讀模式占用的時候，寫操作的其他線程會被阻塞，讀操作的其他線程還可以繼續(xù)進(jìn)行。
- 當(dāng)讀寫鎖被一個線程以寫模式占用的時候，寫操作的其他線程會被阻塞，讀操作的其他線程也被阻塞。
// 初始化
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER
// 讀模式
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 寫模式
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 讀模式或者寫模式的解鎖
pthread_rwlock_unlock(&lock);
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
[self readBookWithTag:1];
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
[self readBookWithTag:2];
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
[self writeBook:3];
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
[self writeBook:4];
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
[self readBookWithTag:5];
});
- (void)readBookWithTag:(NSInteger )tag {
pthread_rwlock_rdlock(&rwLock);
NSLog(@"start read ---- %ld",tag);
self.path = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"1" ofType:@".doc"];
self.contentString = [NSString stringWithContentsOfFile:self.path encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
NSLog(@"end read ---- %ld",tag);
pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
}
- (void)writeBook:(NSInteger)tag {
pthread_rwlock_wrlock(&rwLock);
NSLog(@"start wirte ---- %ld",tag);
[self.contentString writeToFile:self.path atomically:YES encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
NSLog(@"end wirte ---- %ld",tag);
pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
}
start read ---- 1
start read ---- 2
end read ---- 1
end read ---- 2
start wirte ---- 3
end wirte ---- 3
start wirte ---- 4
end wirte ---- 4
start read ---- 5
end read ---- 5
POSIX Conditions
POSIX 條件鎖需要互斥鎖和條件兩項來實(shí)現(xiàn)，雖然看起來沒什么關(guān)系，但在運(yùn)行時中，互斥鎖將會與條件結(jié)合起來。線程將被一個互斥和條件結(jié)合的信號來喚醒。
首先初始化條件和互斥鎖，當(dāng) ready_to_go 為 flase 的時候，進(jìn)入循環(huán)，然后線程將會被掛起，直到另一個線程將 ready_to_go 設(shè)置為 true 的時候，并且發(fā)送信號的時候，該線程會才被喚醒。
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t condition;
Boolean ready_to_go = true;
void MyCondInitFunction()
{
pthread_mutex_init(&mutex);
pthread_cond_init(&condition, NULL);
}
void MyWaitOnConditionFunction()
{
// Lock the mutex.
pthread_mutex_lock(&mutex);
// If the predicate is already set, then the while loop is bypassed;
// otherwise, the thread sleeps until the predicate is set.
while(ready_to_go == false)
{
pthread_cond_wait(&condition, &mutex);
}
// Do work. (The mutex should stay locked.)
// Reset the predicate and release the mutex.
ready_to_go = false;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void SignalThreadUsingCondition()
{
// At this point, there should be work for the other thread to do.
pthread_mutex_lock(&mutex);
ready_to_go = true;
// Signal the other thread to begin work.
pthread_cond_signal(&condition);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
OSSpinLock
自旋鎖，和互斥鎖類似，都是為了保證線程安全的鎖。但二者的區(qū)別是不一樣的，對于互斥鎖，當(dāng)一個線程獲得這個鎖之后，其他想要獲得此鎖的線程將會被阻塞，直到該鎖被釋放。但自選鎖不一樣，當(dāng)一個線程獲得鎖之后，其他線程將會一直循環(huán)在哪里查看是否該鎖被釋放。所以，此鎖比較適用于鎖的持有者保存時間較短的情況下。
// 初始化
spinLock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 加鎖
OSSpinLockLock(&spinLock);
// 解鎖
OSSpinLockUnlock(&spinLock);
然而，YYKit 作者 @ibireme 的文章也有說這個自旋鎖存在優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題，具體文章可以戳 不再安全的 OSSpinLock。
os_unfair_lock
自旋鎖已經(jīng)不在安全，然后蘋果又整出來個 os_unfair_lock_t (╯‵□′)╯︵┻━┻
這個鎖解決了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。
os_unfair_lock_t unfairLock;
unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
os_unfair_lock_lock(unfairLock);
os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
dispatch_semaphore
信號量機(jī)制實(shí)現(xiàn)鎖，等待信號，和發(fā)送信號，正如前邊所說的看門人一樣，當(dāng)有多個線程進(jìn)行訪問的時候，只要有一個獲得了信號，其他線程的就必須等待該信號釋放。
- (void)semphone:(NSInteger)tag {
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_NOW);
// do your stuff
dispatch_semaphore_signal(semaphore);
}
@synchronized
一個便捷的創(chuàng)建互斥鎖的方式，它做了其他互斥鎖所做的所有的事情。
- (void)myMethod:(id)anObj
{
@synchronized(anObj)
{
// Everything between the braces is protected by the @synchronized directive.
}
}
如果你在不同的線程中傳過去的是一樣的標(biāo)識符，先獲得鎖的會鎖定代碼塊，另一個線程將被阻塞，如果傳遞的是不同的標(biāo)識符，則不會造成線程阻塞。
總結(jié)
應(yīng)當(dāng)針對不同的操作使用不同的鎖，而不能一概而論那種鎖的加鎖解鎖速度快。
- 當(dāng)進(jìn)行文件讀寫的時候，使用
pthread_rwlock較好，文件讀寫通常會消耗大量資源，而使用互斥鎖同時讀文件的時候會阻塞其他讀文件線程，而pthread_rwlock不會。 - 當(dāng)性能要求較高時候，可以使用
pthread_mutex或者dispath_semaphore，由于OSSpinLock不能很好的保證線程安全，而在只有在iOS10中才有os_unfair_lock，所以，前兩個是比較好的選擇。既可以保證速度，又可以保證線程安全。 - 對于 NSLock 及其子類，速度來說
NSLock<NSCondition<NSRecursiveLock<NSConditionLock。
引用
1.Threading Programming Guide
2.百度百科-線程安全
3.百度百科-信號量
4.百度百科-互斥鎖
5.不再安全的 OSSpinLock
