本文主要介紹常見的鎖，以及synchronized、NSLock、遞歸鎖、條件鎖的底層分析

鎖

借鑒一張鎖的性能數(shù)據(jù)對比圖，如下所示

可以看出，圖中鎖的性能從高到底依次是：OSSpinLock(自旋鎖) -> dispatch_semaphone（信號量） -> pthread_mutex（互斥鎖） -> NSLock（互斥鎖） -> NSCondition（條件鎖） -> pthread_mutex（recursive 互斥遞歸鎖） -> NSRecursiveLock（遞歸鎖） -> NSConditionLock（條件鎖） -> synchronized（互斥鎖）

圖中鎖大致分為以下幾類：

• 【1、自旋鎖】：在自旋鎖中，線程會反復檢查變量是否可用。由于線程這個過程中一直保持執(zhí)行，所以是一種忙等待。 一旦獲取了自旋鎖，線程就會一直保持該鎖，直到顯式釋放自旋鎖。自旋鎖避免了進程上下文的調(diào)度開銷，因此對于線程只會阻塞很短時間的場合是有效的。對于iOS屬性的修飾符atomic，自帶一把自旋鎖

  • OSSpinLock

  • atomic

• 【2、互斥鎖】：互斥鎖是一種用于多線程編程中，防止兩條線程同時對同一公共資源（例如全局變量）進行讀寫的機制，該目的是通過將代碼切成一個個臨界區(qū)而達成

  • @synchronized

  • NSLock

  • pthread_mutex

• 【3、條件鎖】：條件鎖就是條件變量，當進程的某些資源要求不滿足時就進入休眠，即鎖住了，當資源被分配到了，條件鎖打開了，進程繼續(xù)運行

  • NSCondition

  • NSConditionLock

• 【4、遞歸鎖】：遞歸鎖就是同一個線程可以加鎖N次而不會引發(fā)死鎖。遞歸鎖是特殊的互斥鎖，即是帶有遞歸性質(zhì)的互斥鎖

  • pthread_mutex(recursive)

  • NSRecursiveLock

• 【5、信號量】：信號量是一種更高級的同步機制，互斥鎖可以說是semaphore在僅取值0/1時的特例，信號量可以有更多的取值空間，用來實現(xiàn)更加復雜的同步，而不單單是線程間互斥

  • dispatch_semaphore

• 【6、讀寫鎖】：讀寫鎖實際是一種特殊的自旋鎖。將對共享資源的訪問分成讀者和寫者，讀者只對共享資源進行讀訪問，寫者則需要對共享資源進行寫操作。這種鎖相對于自旋鎖而言，能提高并發(fā)性

  • 一個讀寫鎖同時只能有一個寫者或者多個讀者，但不能既有讀者又有寫者，在讀寫鎖保持期間也是搶占失效的

  • 如果讀寫鎖當前沒有讀者，也沒有寫者，那么寫者可以立刻獲得讀寫鎖，否則它必須自旋在那里， 直到?jīng)]有任何寫者或讀者。如果讀寫鎖沒有寫者，那么讀者可以立刻獲得讀寫鎖

其實基本的鎖就包括三類：自旋鎖、互斥鎖、讀寫鎖，其他的比如條件鎖、遞歸鎖、信號量都是上層的封裝和實現(xiàn)。

1、OSSpinLock（自旋鎖）

自從OSSpinLock出現(xiàn)安全問題，在iOS10之后就被廢棄了。自旋鎖之所以不安全，是因為獲取鎖后，線程會一直處于忙等待，造成了任務的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。

其中的忙等待機制可能會造成高優(yōu)先級任務一直running等待，占用時間片，而低優(yōu)先級的任務無法搶占時間片，會造成一直不能完成，鎖未釋放的情況

在OSSpinLock被棄用后，其替代方案是內(nèi)部封裝了os_unfair_lock，而os_unfair_lock在加鎖時會處于休眠狀態(tài)，而不是自旋鎖的忙等狀態(tài)

2、atomic（原子鎖）

atomic適用于OC中屬性的修飾符，其自帶一把自旋鎖，但是這個一般基本不使用，都是使用的nonatomic

在前面的文章中，我們提及setter方法會根據(jù)修飾符調(diào)用不同方法，其中最后會統(tǒng)一調(diào)用reallySetProperty方法，其中就有atomic和非atomic的操作

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
   ...
   id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
   ...

    if (!atomic) {//未加鎖
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {//加鎖
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }
    ...
}

從源碼中可以看出，對于atomic修飾的屬性，進行了spinlock_t加鎖處理，但是在前文中提到OSSpinLock已經(jīng)廢棄了，這里的spinlock_t在底層是通過os_unfair_lock替代了OSSpinLock實現(xiàn)的加鎖。同時為了防止哈希沖突，還是用了加鹽操作

using spinlock_t = mutex_tt<LOCKDEBUG>;

class mutex_tt : nocopy_t {
    os_unfair_lock mLock;
    ...
}

getter方法中對atomic的處理，同setter是大致相同的

id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {
    if (offset == 0) {
        return object_getClass(self);
    }

    // Retain release world
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
    if (!atomic) return *slot;

    // Atomic retain release world
    spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
    slotlock.lock();//加鎖
    id value = objc_retain(*slot);
    slotlock.unlock();//解鎖

    // for performance, we (safely) issue the autorelease OUTSIDE of the spinlock.
    return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}

3、synchronized（互斥遞歸鎖）

• 開啟匯編調(diào)試，發(fā)現(xiàn)@synchronized在執(zhí)行過程中，會走底層的objc_sync_enter 和 objc_sync_exit方法

也可以通過clang，查看底層編譯代碼

通過對objc_sync_enter方法符號斷點，查看底層所在的源碼庫，通過斷點發(fā)現(xiàn)在objc源碼中，即libobjc.A.dylib

objc_sync_enter & objc_sync_exit 分析

• 進入objc_sync_enter源碼實現(xiàn)
  • 如果obj存在，則通過id2data方法獲取相應的SyncData，對threadCount、lockCount進行遞增操作
  • 如果obj不存在，則調(diào)用objc_sync_nil，通過符號斷點得知，這個方法里面什么都沒做，直接return了

int objc_sync_enter(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;

    if (obj) {//傳入不為nil
        SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);//重點
        ASSERT(data);
        data->mutex.lock();//加鎖
    } else {//傳入nil
        // @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;
}

• 進入objc_sync_exit源碼實現(xiàn)
  • 如果obj存在，則調(diào)用id2data方法獲取對應的SyncData，對threadCount、lockCount進行遞減操作
  • 如果obj為nil，什么也不做

// End synchronizing on 'obj'. 結(jié)束對“ obj”的同步
// Returns OBJC_SYNC_SUCCESS or OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR
int objc_sync_exit(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;

    if (obj) {//obj不為nil
        SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
        if (!data) {
            result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
        } else {
            bool okay = data->mutex.tryUnlock();//解鎖
            if (!okay) {
                result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
            }
        }
    } else {//obj為nil時，什么也不做
        // @synchronized(nil) does nothing
    }
    return result;
}

通過上面兩個實現(xiàn)邏輯的對比，發(fā)現(xiàn)它們有一個共同點，在obj存在時，都會通過id2data方法，獲取SyncData

• 進入SyncData的定義，是一個結(jié)構(gòu)體，主要用來表示一個線程data，類似于鏈表結(jié)構(gòu)，有next指向，且封裝了recursive_mutex_t屬性，可以確認@synchronized確實是一個遞歸互斥鎖

typedef struct alignas(CacheLineSize) SyncData {
    struct SyncData* nextData;//類似鏈表結(jié)構(gòu)
    DisguisedPtr<objc_object> object;
    int32_t threadCount;  // number of THREADS using this block
    recursive_mutex_t mutex;//遞歸鎖
} SyncData;

• 進入SyncCache的定義，也是一個結(jié)構(gòu)體，用于存儲線程，其中list[0]表示當前線程的鏈表data，主要用于存儲SyncData和lockCount

typedef struct {
    SyncData *data;
    unsigned int lockCount;  // number of times THIS THREAD locked this block
} SyncCacheItem;

typedef struct SyncCache {
    unsigned int allocated;
    unsigned int used;
    SyncCacheItem list[0];
} SyncCache;

id2data 分析

• 進入id2data源碼，從上面的分析，可以看出，這個方法是加鎖和解鎖都復用的方法

static SyncData* id2data(id object, enum usage why)
{
    spinlock_t *lockp = &LOCK_FOR_OBJ(object);
    SyncData **listp = &LIST_FOR_OBJ(object);
    SyncData* result = NULL;

#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS //tls（Thread Local Storage，本地局部的線程緩存）
    // Check per-thread single-entry fast cache for matching object
    bool fastCacheOccupied = NO;
    //通過KVC方式對線程進行獲取 線程綁定的data
    SyncData *data = (SyncData *)tls_get_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY);
    //如果線程緩存中有data，執(zhí)行if流程
    if (data) {
        fastCacheOccupied = YES;
        //如果在線程空間找到了data
        if (data->object == object) {
            // Found a match in fast cache.
            uintptr_t lockCount;

            result = data;
            //通過KVC獲取lockCount，lockCount用來記錄 被鎖了幾次，即 該鎖可嵌套
            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: {
                //objc_sync_enter走這里，傳入的是ACQUIRE -- 獲取
                lockCount++;//通過lockCount判斷被鎖了幾次，即表示 可重入（遞歸鎖如果可重入，會死鎖）
                tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);//設(shè)置
                break;
            }
            case RELEASE:
                //objc_sync_exit走這里，傳入的why是RELEASE -- 釋放
                lockCount--;
                tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);
                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

    // Check per-thread cache of already-owned locks for matching object
    SyncCache *cache = fetch_cache(NO);//判斷緩存中是否有該線程
    //如果cache中有，方式與線程緩存一致
    if (cache) {
        unsigned int i;
        for (i = 0; i < cache->used; i++) {//遍歷總表
            SyncCacheItem *item = &cache->list[i];
            if (item->data->object != object) continue;

            // Found a match.
            result = item->data;
            if (result->threadCount <= 0  ||  item->lockCount <= 0) {
                _objc_fatal("id2data cache is buggy");
            }

            switch(why) {
            case ACQUIRE://加鎖
                item->lockCount++;
                break;
            case RELEASE://解鎖
                item->lockCount--;
                if (item->lockCount == 0) {
                    // remove from per-thread cache 從cache中清除使用標記
                    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;
        }
    }

    // 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.
    //第一次進來，所有緩存都找不到
    lockp->lock();

    {
        SyncData* p;
        SyncData* firstUnused = NULL;
        for (p = *listp; p != NULL; p = p->nextData) {//cache中已經(jīng)找到
            if ( p->object == object ) {//如果不等于空，且與object相似
                result = p;//賦值
                // atomic because may collide with concurrent RELEASE
                OSAtomicIncrement32Barrier(&result->threadCount);//對threadCount進行++
                goto done;
            }
            if ( (firstUnused == NULL) && (p->threadCount == 0) )
                firstUnused = p;
        }

        // no SyncData currently associated with object 沒有與當前對象關(guān)聯(lián)的SyncData
        if ( (why == RELEASE) || (why == CHECK) )
            goto done;

        // an unused one was found, use it 第一次進來，沒有找到
        if ( firstUnused != NULL ) {
            result = firstUnused;
            result->object = (objc_object *)object;
            result->threadCount = 1;
            goto done;
        }
    }

    // Allocate a new SyncData and add to list.
    // XXX allocating memory with a global lock held is bad practice,
    // might be worth releasing the lock, allocating, and searching again.
    // But since we never free these guys we won't be stuck in allocation very often.
    posix_memalign((void **)&result, alignof(SyncData), sizeof(SyncData));//創(chuàng)建賦值
    result->object = (objc_object *)object;
    result->threadCount = 1;
    new (&result->mutex) recursive_mutex_t(fork_unsafe_lock);
    result->nextData = *listp;
    *listp = result;

 done:
    lockp->unlock();
    if (result) {
        // Only new ACQUIRE should get here.
        // All RELEASE and CHECK and recursive ACQUIRE are 
        // handled by the per-thread caches above.
        if (why == RELEASE) {
            // Probably some thread is incorrectly exiting 
            // while the object is held by another thread.
            return nil;
        }
        if (why != ACQUIRE) _objc_fatal("id2data is buggy");
        if (result->object != object) _objc_fatal("id2data is buggy");

#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
        if (!fastCacheOccupied) { //判斷是否支持棧存緩存，支持則通過KVC形式賦值 存入tls
            // Save in fast thread cache
            tls_set_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY, result);
            tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)1);//lockCount = 1
        } else 
#endif
        {
            // Save in thread cache 緩存中存一份
            if (!cache) cache = fetch_cache(YES);//第一次存儲時，對線程進行了綁定
            cache->list[cache->used].data = result;
            cache->list[cache->used].lockCount = 1;
            cache->used++;
        }
    }

    return result;
}

• 【第一步】首先在tls即線程緩存中查找。

  • 在tls_get_direct方法中以線程為key，通過KVC的方式獲取與之綁定的SyncData，即線程data。其中的tls（），表示本地局部的線程緩存，

  • 判斷獲取的data是否存在，以及判斷data中是否能找到對應的object

  • 如果都找到了，在tls_get_direct方法中以KVC的方式獲取lockCount，用來記錄對象被鎖了幾次（即鎖的嵌套次數(shù)）

  • 如果data中的threadCount 小于等于0，或者 lockCount 小于等于0時，則直接崩潰

  • 通過傳入的why，判斷是操作類型

    • 如果是ACQUIRE，表示加鎖，則進行lockCount++，并保存到tls緩存

    • 如果是RELEASE，表示釋放，則進行lockCount--，并保存到tls緩存。如果lockCount 等于 0，從tls中移除線程data

    • 如果是CHECK，則什么也不做

• 【第二步】如果tls中沒有，則在cache緩存中查找

  • 通過fetch_cache方法查找cache緩存中是否有線程

  • 如果有，則遍歷cache總表，讀取出線程對應的SyncCacheItem

  • 從SyncCacheItem中取出data，然后后續(xù)步驟與tls的匹配是一致的

• 【第三步】如果cache中也沒有，即第一次進來，則創(chuàng)建SyncData，并存儲到相應緩存中

  • 如果在cache中找到線程，且與object相等，則進行賦值、以及threadCount++
  • 如果在cache中沒有找到，則threadCount等于1

所以在id2data方法中，主要分為三種情況

• 【第一次進來，沒有鎖】：

  • threadCount = 1

  • lockCount = 1

  • 存儲到tls

• 【不是第一次進來，且是同一個線程】

  • tls中有數(shù)據(jù)，則lockCount++

  • 存儲到tls

• 【不是第一次進來，且是不同線程】

  • 全局線程空間進行查找線程

  • threadCount++

  • lockCount++

  • 存儲到cache

tls和cache表結(jié)構(gòu)
針對tls和cache緩存，底層的表結(jié)構(gòu)如下所示

• 哈希表結(jié)構(gòu)中通過SyncList結(jié)構(gòu)來組裝多線程的情況

• SyncData通過鏈表的形式組裝當前可重入的情況

• 下層通過tls線程緩存、cache緩存來進行處理

• 底層主要有兩個東西：lockCount、threadCount,解決了遞歸互斥鎖，解決了嵌套可重入

@synchronized 坑點

下面代碼這樣寫，會有什么問題？

 - (void)cjl_testSync{
    _testArray = [NSMutableArray array];
    for (int i = 0; i < 200000; i++) {
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
            @synchronized (self.testArray) {
                self.testArray = [NSMutableArray array];
            }
        });
    }
}

運行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運行就崩潰

崩潰的主要原因是testArray在某一瞬間變成了nil，從@synchronized底層流程知道，如果加鎖的對象成了nil，是鎖不住的，相當于下面這種情況，block內(nèi)部不停的retain、release，會在某一瞬間上一個還未release，下一個已經(jīng)準備release，這樣會導致野指針的產(chǎn)生

_testArray = [NSMutableArray array];
for (int i = 0; i < 200000; i++) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        _testArray = [NSMutableArray array];
    });
}

可以根據(jù)上面的代碼，打開edit scheme -> run -> Diagnostics中勾選Zombie Objects ，來查看是否是僵尸對象，結(jié)果如下所示

我們一般使用@synchronized (self)，主要是因為_testArray的持有者是self

注意：野指針 vs 過渡釋放

• 野指針：是指由于過渡釋放產(chǎn)生的指針還在進行操作

• 過渡釋放：每次都會retain 和 release

總結(jié)

• @synchronized在底層封裝的是一把遞歸互斥鎖

• @synchronized的可重入，即可嵌套，主要是由于lockCount 和 threadCount的搭配

• @synchronized使用鏈表的原因是鏈表方便下一個data的插入，

• 但是由于底層中鏈表查詢、緩存的查找以及遞歸，是非常耗內(nèi)存以及性能的，導致性能低，所以在前文中，該鎖的排名在最后

• 但是目前該鎖的使用頻率仍然很高，主要是因為方便簡單，且不用解鎖

• 不能使用非OC對象作為加鎖對象，因為其object的參數(shù)為引用類型

• @synchronized (self)這種適用于嵌套次數(shù)較少的場景。這里鎖住的對象也并不永遠是self，這里需要讀者注意

• 如果鎖嵌套次數(shù)較多，即鎖self過多，會導致底層的查找非常麻煩，因為其底層是鏈表進行查找，所以會相對比較麻煩，所以此時可以使用NSLock、信號量等

4、NSLock

NSLock是對下層pthread_mutex的封裝，使用如下

 NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
[lock lock];
[lock unlock];

直接進入NSLock定義查看，其遵循了NSLocking協(xié)議，下面來探索NSLock的底層實現(xiàn)

NSLock 底層分析

• 通過加符號斷點lock分析，發(fā)現(xiàn)其源碼在Foundation框架中

• 由于OC的Foundation框架不開源，所以這里借助Swift的開源框架Foundation來 分析NSLock的底層實現(xiàn)，其原理與OC是大致相同的

  通過源碼實現(xiàn)可以看出，底層是通過pthread_mutex互斥鎖實現(xiàn)的。并且在init方法中，還做了一些其他操作，所以在使用NSLock時需要使用init初始化

回到前文的性能圖中，可以看出NSLock的性能僅次于 pthread_mutex（互斥鎖），非常接近

使用弊端

請問下面block嵌套block的代碼中，會有什么問題？

for (int i= 0; i<100; i++) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        static void (^testMethod)(int);
        testMethod = ^(int value){
            if (value > 0) {
              NSLog(@"current value = %d",value);
              testMethod(value - 1);
            }
        };
        testMethod(10);
    });
}  

• 在未加鎖之前，其中的current=9、10有很多條，導致數(shù)據(jù)混亂，主要原因是多線程導致的

• 如果像下面這樣加鎖，會有什么問題？

NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
for (int i= 0; i<100; i++) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        static void (^testMethod)(int);
        testMethod = ^(int value){
            [lock lock];
            if (value > 0) {
              NSLog(@"current value = %d",value);
              testMethod(value - 1);
            }
        };
        testMethod(10);
        [lock unlock];
    });
}  

其運行結(jié)果如下

會出現(xiàn)一直等待的情況，主要是因為嵌套使用的遞歸，使用NSLock（簡單的互斥鎖，如果沒有回來，會一直睡覺等待），即會存在一直加lock，等不到unlock 的堵塞情況

所以，針對這種情況，可以使用以下方式解決

• 使用@synchronized

for (int i= 0; i<100; i++) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        static void (^testMethod)(int);
        testMethod = ^(int value){
            @synchronized (self) {
                if (value > 0) {
                  NSLog(@"current value = %d",value);
                  testMethod(value - 1);
                }
            }
        };
        testMethod(10); 
    });
}

• 使用遞歸鎖NSRecursiveLock

NSRecursiveLock *recursiveLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
 for (int i= 0; i<100; i++) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        static void (^testMethod)(int);
        [recursiveLock lock];
        testMethod = ^(int value){
            if (value > 0) {
              NSLog(@"current value = %d",value);
              testMethod(value - 1);
            }
            [recursiveLock unlock];
        };
        testMethod(10);
    });
}

pthread_mutex

pthread_mutex就是互斥鎖本身，當鎖被占用，其他線程申請鎖時，不會一直忙等待，而是阻塞線程并睡眠

使用

// 導入頭文件
#import <pthread.h>

// 全局聲明互斥鎖
pthread_mutex_t _lock;

// 初始化互斥鎖
pthread_mutex_init(&_lock, NULL);

// 加鎖
pthread_mutex_lock(&_lock);
// 這里做需要線程安全操作
// 解鎖 
pthread_mutex_unlock(&_lock);

// 釋放鎖
pthread_mutex_destroy(&_lock);

6、NSRecursiveLock

NSRecursiveLock在底層也是對pthread_mutex的封裝，可以通過swift的Foundation源碼查看

對比NSLock 和 NSRecursiveLock，其底層實現(xiàn)幾乎一模一樣，區(qū)別在于init時，NSRecursiveLock有一個標識PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE，而NSLock是默認的

遞歸鎖主要是用于解決一種嵌套形式，其中循環(huán)嵌套居多

7、NSCondition

NSCondition 是一個條件鎖，在日常開發(fā)中使用較少，與信號量有點相似：線程需要滿足條件才會往下走，否則會堵塞等待，直到條件滿足。經(jīng)典模型是生產(chǎn)消費者模型

NSCondition的對象實際上作為一個鎖 和 一個線程檢查器

• 鎖主要 為了當檢測條件時保護數(shù)據(jù)源，執(zhí)行條件引發(fā)的任務

• 線程檢查器主要是根據(jù)條件決定是否繼續(xù)運行線程，即線程是否被阻塞

使用

//初始化
NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init]

//一般用于多線程同時訪問、修改同一個數(shù)據(jù)源，保證在同一 時間內(nèi)數(shù)據(jù)源只被訪問、修改一次，其他線程的命令需要在lock 外等待，只到 unlock ，才可訪問
[condition lock];

//與lock 同時使用
[condition unlock];

//讓當前線程處于等待狀態(tài)
[condition wait];

//CPU發(fā)信號告訴線程不用在等待，可以繼續(xù)執(zhí)行
[condition signal];

底層分析

通過swift的Foundation源碼查看NSCondition的底層實現(xiàn)

open class NSCondition: NSObject, NSLocking {
    internal var mutex = _MutexPointer.allocate(capacity: 1)
    internal var cond = _ConditionVariablePointer.allocate(capacity: 1)
    //初始化
    public override init() {
        pthread_mutex_init(mutex, nil)
        pthread_cond_init(cond, nil)
    }
    //析構(gòu)
    deinit {
        pthread_mutex_destroy(mutex)
        pthread_cond_destroy(cond)

        mutex.deinitialize(count: 1)
        cond.deinitialize(count: 1)
        mutex.deallocate()
        cond.deallocate()
    }
    //加鎖
    open func lock() {
        pthread_mutex_lock(mutex)
    }
    //解鎖
    open func unlock() {
        pthread_mutex_unlock(mutex)
    }
    //等待
    open func wait() {
        pthread_cond_wait(cond, mutex)
    }
    //等待
    open func wait(until limit: Date) -> Bool {
        guard var timeout = timeSpecFrom(date: limit) else {
            return false
        }
        return pthread_cond_timedwait(cond, mutex, &timeout) == 0
    }
    //信號，表示等待的可以執(zhí)行了
    open func signal() {
        pthread_cond_signal(cond)
    }
    //廣播
    open func broadcast() {
        // 匯編分析 - 猜 (多看多玩)
        pthread_cond_broadcast(cond) // wait  signal
    }
    open var name: String?
}

其底層也是對下層pthread_mutex的封裝

• NSCondition是對mutex和cond的一種封裝（cond就是用于訪問和操作特定類型數(shù)據(jù)的指針）

• wait操作會阻塞線程，使其進入休眠狀態(tài)，直至超時

• signal操作是喚醒一個正在休眠等待的線程

• broadcast會喚醒所有正在等待的線程

8、NSConditionLock

NSConditionLock是條件鎖，一旦一個線程獲得鎖，其他線程一定等待

相比NSConditionLock而言，NSCondition使用比較麻煩，所以推薦使用NSConditionLock，其使用如下

//初始化
NSConditionLock *conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:2];

//表示 conditionLock 期待獲得鎖，如果沒有其他線程獲得鎖(不需要判斷內(nèi)部的 condition) 那它能執(zhí)行此行以下代碼，如果已經(jīng)有其他線程獲得鎖(可能是條件鎖，或者無條件 鎖)，則等待，直至其他線程解鎖
[conditionLock lock]; 

//表示如果沒有其他線程獲得該鎖，但是該鎖內(nèi)部的 condition不等于A條件，它依然不能獲得鎖，仍然等待。如果內(nèi)部的condition等于A條件，并且 沒有其他線程獲得該鎖，則進入代碼區(qū)，同時設(shè)置它獲得該鎖，其他任何線程都將等待它代碼的 完成，直至它解鎖。
[conditionLock lockWhenCondition:A條件]; 

//表示釋放鎖，同時把內(nèi)部的condition設(shè)置為A條件
[conditionLock unlockWithCondition:A條件]; 

// 表示如果被鎖定(沒獲得 鎖)，并超過該時間則不再阻塞線程。但是注意:返回的值是NO,它沒有改變鎖的狀態(tài)，這個函 數(shù)的目的在于可以實現(xiàn)兩種狀態(tài)下的處理
return = [conditionLock lockWhenCondition:A條件 beforeDate:A時間];

//其中所謂的condition就是整數(shù)，內(nèi)部通過整數(shù)比較條件

NSConditionLock，其本質(zhì)就是NSCondition + Lock，以下是其swift的底層實現(xiàn)，

open class NSConditionLock : NSObject, NSLocking {
    internal var _cond = NSCondition()
    internal var _value: Int
    internal var _thread: _swift_CFThreadRef?

    public convenience override init() {
        self.init(condition: 0)
    }

    public init(condition: Int) {
        _value = condition
    }

    open func lock() {
        let _ = lock(before: Date.distantFuture)
    }

    open func unlock() {
        _cond.lock()
        _thread = nil
        _cond.broadcast()
        _cond.unlock()
    }

    open var condition: Int {
        return _value
    }

    open func lock(whenCondition condition: Int) {
        let _ = lock(whenCondition: condition, before: Date.distantFuture)
    }

    open func `try`() -> Bool {
        return lock(before: Date.distantPast)
    }

    open func tryLock(whenCondition condition: Int) -> Bool {
        return lock(whenCondition: condition, before: Date.distantPast)
    }

    open func unlock(withCondition condition: Int) {
        _cond.lock()
        _thread = nil
        _value = condition
        _cond.broadcast()
        _cond.unlock()
    }

    open func lock(before limit: Date) -> Bool {
        _cond.lock()
        while _thread != nil {
            if !_cond.wait(until: limit) {
                _cond.unlock()
                return false
            }
        }
         _thread = pthread_self()
        _cond.unlock()
        return true
    }

    open func lock(whenCondition condition: Int, before limit: Date) -> Bool {
        _cond.lock()
        while _thread != nil || _value != condition {
            if !_cond.wait(until: limit) {
                _cond.unlock()
                return false
            }
        }
        _thread = pthread_self()
        _cond.unlock()
        return true
    }

    open var name: String?
}

通過源碼可以看出

• NSConditionLock是NSCondition的封裝

• NSConditionLock可以設(shè)置鎖條件，即condition值，而NSCondition只是信號的通知

調(diào)試驗證

以下面代碼為例，調(diào)試NSConditionLock底層流程

- (void)cjl_testConditonLock{
    // 信號量
    NSConditionLock *conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:2];

    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0), ^{
         [conditionLock lockWhenCondition:1]; // conditoion = 1 內(nèi)部 Condition 匹配
        // -[NSConditionLock lockWhenCondition: beforeDate:]
        NSLog(@"線程 1");
         [conditionLock unlockWithCondition:0];
    });

    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_LOW, 0), ^{

        [conditionLock lockWhenCondition:2];
        sleep(0.1);
        NSLog(@"線程 2");
        // self.myLock.value = 1;
        [conditionLock unlockWithCondition:1]; // _value = 2 -> 1
    });

    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{

       [conditionLock lock];
       NSLog(@"線程 3");
       [conditionLock unlock];
    });
}

• 在conditionLock部分打上響應斷點，運行（需要在真機上運行：模擬器上運行的是Intel指令，而真機上運行的是arm指令）

• 斷住，開啟匯編調(diào)試

• register read 讀取寄存器，其中 x0是接收者 self ，x1是cmd

• 在objc_msgSend處加斷點，再次讀寄存器 x0 -- register read x0，此時執(zhí)行到了[conditionLock lockWhenCondition:2];

• 讀x1，即 register read x1 ,然后發(fā)現(xiàn)讀不出來，因為x1存儲的是sel，并不是對象類型，可以通過進行強轉(zhuǎn)為SEL讀取

• 加符號斷點-[NSConditionLock lockWhenCondition:]、-[NSConditionLock lockWhenCondition:beforeDate:],然后查看bl、b等跳轉(zhuǎn)

• 讀取寄存器 x0、x2是當前的lockWhenCondition:beforeDate:的參數(shù)，實際走的是[conditionLock lockWhenCondition:1];

  image

• 通過匯編可知，x2移動到了x21

  到這里后，我們調(diào)試的目的主要有兩個：NSCondition + lock 以及condition與value的值匹配

NSCondition + lock驗證

• 繼續(xù)執(zhí)行，在bl處斷住，讀取寄存器 x0 ，此時是跳轉(zhuǎn)至NSCondition

• 讀取 x1，即 po (SEL)0x00000001c746e484

所以可以驗證NSConditionLock在底層調(diào)用的是NSCondition的lock方法

condition與value的值匹配

• 繼續(xù)執(zhí)行，跳到ldr ，即通過一個方法，拿到了 condition 2 的屬性值，存儲到x8中

  • register read x19

  • po (SEL)0x0000000283d0d220 -- x19的地址+0x10

register read x8，此時的x8中存儲的是 2

cmp x8, x21，意思是將 x8和 x21匹配，即 2 和 1匹配，并不匹配

第二次來到cmp x8, x21，此時的x8、x21 是匹配的 ，即[conditionLock lockWhenCondition:2];

• 此時是x8 和 x21 是匹配的，通過斷點也可以體現(xiàn)

demo分析匯總

• 線程 1 調(diào)用[NSConditionLock lockWhenCondition:]，此時此刻因為不滿足當前條件，所以會進入 waiting 狀態(tài)，當前進入到 waiting 時，會釋放當前的互斥鎖。

• 此時當前的線程 3 調(diào)用[NSConditionLock lock:]，本質(zhì)上是調(diào)用 [NSConditionLock lockBeforeDate:]，這里不需要比對條件值，所以線程 3 會打印

• 接下來線程 2 執(zhí)行[NSConditionLock lockWhenCondition:]，因為滿足條件值，所以線程2 會打印，打印完成后會調(diào)用[NSConditionLock unlockWithCondition:],這個時候將value 設(shè)置為 1，并發(fā)送 boradcast, 此時線程 1 接收到當前的信號，喚醒執(zhí)行并打印。

• 自此當前打印為 線程 3->線程 2 -> 線程 1

• [NSConditionLock lockWhenCondition:];這里會根據(jù)傳入的 condition 值和 Value 值進行對比，如果不相等，這里就會阻塞，進入線程池，否則的話就繼續(xù)代碼執(zhí)行[NSConditionLock unlockWithCondition:]: 這里會先更改當前的 value 值，然后進行廣播，喚醒當前的線程

性能總結(jié)

• OSSpinLock自旋鎖由于安全性問題，在iOS10之后已經(jīng)被廢棄，其底層的實現(xiàn)用os_unfair_lock替代

  • 使用OSSpinLock及所示，會處于忙等待狀態(tài)

  • 而os_unfair_lock是處于休眠狀態(tài)

• atomic原子鎖自帶一把自旋鎖，只能保證setter、getter時的線程安全，在日常開發(fā)中使用更多的還是nonatomic修飾屬性

  • atomic：當屬性在調(diào)用setter、getter方法時，會加上自旋鎖osspinlock，用于保證同一時刻只能有一個線程調(diào)用屬性的讀或?qū)懀?code>避免了屬性讀寫不同步的問題。由于是底層編譯器自動生成的互斥鎖代碼，會導致效率相對較低

  • nonatomic：當屬性在調(diào)用setter、getter方法時，不會加上自旋鎖，即線程不安全。由于編譯器不會自動生成互斥鎖代碼，可以提高效率

• @synchronized在底層維護了一個哈希表進行線程data的存儲，通過鏈表表示可重入（即嵌套）的特性，雖然性能較低，但由于簡單好用，使用頻率很高

• NSLock、NSRecursiveLock底層是對pthread_mutex的封裝

• NSCondition和NSConditionLock是條件鎖，底層都是對pthread_mutex的封裝，當滿足某一個條件時才能進行操作，和信號量dispatch_semaphore類似

鎖的使用場景

• 如果只是簡單的使用，例如涉及線程安全，使用NSLock即可

• 在循環(huán)嵌套中，如果對遞歸鎖掌握的很好，則建議使用遞歸鎖，因為性能好

• 如果是循環(huán)嵌套，并且還有多線程影響時，例如有等待、死鎖現(xiàn)象時，建議使用@synchronized（因為在synchronized中無論怎么重入，都沒有關(guān)系，而NSRecursiveLock可能會出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象）