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iOS中的常見多線程方案

image.png

GCD的常用函數(shù)

GCD中有2個(gè)用來(lái)執(zhí)行任務(wù)的函數(shù)

用同步的方式執(zhí)行任務(wù)
dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
queue：隊(duì)列
block：任務(wù)
用異步的方式執(zhí)行任務(wù)
dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

GCD源碼

GCD的隊(duì)列

GCD的隊(duì)列可以分為2大類型

==并發(fā)==隊(duì)列（Concurrent Dispatch Queue）
可以讓多個(gè)任務(wù)并發(fā)（同時(shí)）執(zhí)行（自動(dòng)開啟多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行任務(wù)）
并發(fā)功能只有在異步（dispatch_async）函數(shù)下才有效
==串行==隊(duì)列（Serial Dispatch Queue）
讓任務(wù)一個(gè)接著一個(gè)地執(zhí)行（一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完畢后，再執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)）

容易混淆的術(shù)語(yǔ)

有4個(gè)術(shù)語(yǔ)比較容易混淆：==同步、異步、并發(fā)、串行==

同步和異步主要影響：能不能開啟新的線程

同步：在當(dāng)前線程中執(zhí)行任務(wù)，不具備開啟新線程的能力
異步：在新的線程中（主線程除外）執(zhí)行任務(wù)，具備開啟新線程的能力

并發(fā)和串行主要影響：任務(wù)的執(zhí)行方式

并發(fā)：多個(gè)任務(wù)并發(fā)（同時(shí)）執(zhí)行
串行：一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完畢后，再執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)

各種隊(duì)列的執(zhí)行效果

image.png

==使用sync函數(shù)往當(dāng)前串行隊(duì)列中添加任務(wù)，會(huì)卡住當(dāng)前的串行隊(duì)列（產(chǎn)生死鎖）==

// 問(wèn)題：以下代碼是在主線程執(zhí)行的，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生死鎖？會(huì)！
NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)1");
    
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
dispatch_sync(queue, ^{
    NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)2");
});
    
NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)3");
    
// dispatch_sync立馬在當(dāng)前線程同步執(zhí)行任務(wù)

 // 問(wèn)題：以下代碼是在主線程執(zhí)行的，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生死鎖？會(huì)！
NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)1");
    
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myqueu", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(queue, ^{ // 0
   NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)2");
        
dispatch_sync(queue, ^{ // 1
     NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)3");
   });
    
   NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)4");
});
    
NSLog(@"執(zhí)行任務(wù)5");

隊(duì)列組的使用

思考：如何用gcd實(shí)現(xiàn)以下功能
異步并發(fā)執(zhí)行任務(wù)1、任務(wù)2
等任務(wù)1、任務(wù)2都執(zhí)行完畢后，再回到主線程執(zhí)行任務(wù)3

// 創(chuàng)建隊(duì)列組
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    // 創(chuàng)建并發(fā)隊(duì)列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("my_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    // 添加異步任務(wù)
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任務(wù)1-%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任務(wù)2-%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    // 等前面的任務(wù)執(zhí)行完畢后，會(huì)自動(dòng)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)
    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任務(wù)3-%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });

多線程的安全隱患

資源共享

1塊資源可能會(huì)被多個(gè)線程共享，也就是==多個(gè)線程可能會(huì)訪問(wèn)同一塊資源==
比如多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)對(duì)象、同一個(gè)變量、同一個(gè)文件，當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一塊資源時(shí)，很容易引發(fā)==數(shù)據(jù)錯(cuò)亂和數(shù)據(jù)安全==問(wèn)題

多線程安全隱患示例 – 存錢取錢

存錢取錢

多線程安全隱患示例 – 賣票

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多線程安全隱患分析

多線程安全隱患的解決方案

解決方案：使用線程同步技術(shù)（同步，就是協(xié)同步調(diào)，按預(yù)定的先后次序進(jìn)行）
常見的線程同步技術(shù)是：加鎖

GNUstep

GNUstep是GNU計(jì)劃的項(xiàng)目之一，它將Cocoa的OC庫(kù)重新開源實(shí)現(xiàn)了一遍

GNUstep源碼地址

雖然GNUstep不是蘋果官方源碼，但還是具有一定的參考價(jià)值

iOS中的線程同步方案

OSSpinLock
os_unfair_lock
pthread_mutex
dispatch_semaphore
dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
NSLock
NSRecursiveLock
NSCondition
NSConditionLock
@synchronized

OSSpinLock

OSSpinLock叫做”自旋鎖”，等待鎖的線程會(huì)處于忙等（busy-wait）狀態(tài)，一直占用著CPU資源
目前已經(jīng)不再安全，可能會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題
如果等待鎖的線程優(yōu)先級(jí)較高，它會(huì)一直占用著CPU資源，優(yōu)先級(jí)低的線程就無(wú)法釋放鎖
需要導(dǎo)入頭文件#import <libkern/OSAtomic.h>

// 初始化鎖
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
//嘗試加鎖（如果需要等待就不加鎖，直接返回false；如果不需要等待就加鎖，返回true）
OSSpinLockTry(&lock)
// 加鎖
OSSpinLockLock(&lock); 
// 解鎖
OSSpinLockUnlock(&lock);

os_unfair_lock

os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ，從iOS10開始才支持
從底層調(diào)用看，等待os_unfair_lock鎖的線程會(huì)處于休眠狀態(tài)，并非忙等
需要導(dǎo)入頭文件#import <os/lock.h>

-** Low-level lock的特點(diǎn)等不到鎖就休眠

//初始化
os_unfair_lock moneyLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
//嘗試加鎖
os_unfair_lock_trylock(&moneyLock);
//加鎖
os_unfair_lock_lock(&moneyLock);   
//具體操作
//解鎖
os_unfair_lock_unlock(&moneyLock);

pthread_mutex

mutex叫做==”互斥鎖”==，等待鎖的線程會(huì)處于休眠狀態(tài)
需要導(dǎo)入頭文件#import <pthread.h>

pthread_mutex_t moneyMutex;
// 初始化屬性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化鎖
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 銷毀屬性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
//嘗試加鎖
pthread_mutex_trylock(&moneyMutex);
//加鎖
pthread_mutex_lock(&moneyMutex);
//具體操作
//解鎖
pthread_mutex_unlock(&moneyMutex);
//銷毀鎖
pthread_mutex_destroy(&moneyMutex);

Mutex type attributes

#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL        0
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK    1
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE     2
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT       PTHREAD_MUTEX_NORMAL

pthread_mutex – 遞歸鎖

pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

pthread_mutex – 條件

pthread_cond_t cond;
// 初始化條件
pthread_cond_init(&_cond, NULL);

if (條件) {
    // 等待條件（進(jìn)入休眠，放開mutex鎖；唄喚醒后，會(huì)再次對(duì)mutex加鎖）
    pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
}
    
// 信號(hào)（激活一個(gè)等待條件的線程）
pthread_cond_signal(&_cond);
// 廣播（激活所有等待條件的線程）
//pthread_cond_broadcast(&_cond);
pthread_mutex_unlock(&_mutex);

NSLock、NSRecursiveLock

NSLock是對(duì)mutex普通鎖的封裝
NSRecursiveLock也是對(duì)mutex遞歸鎖的封裝，API跟NSLock基本一致

@protocol NSLocking

- (void)lock;
- (void)unlock;

@end

@interface NSLock : NSObject <NSLocking> {

- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;

@property (nullable, copy) NSString *name API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

@end

NSCondition

==NSCondition==是對(duì)==mutex==和==cond==的封裝

@interface NSCondition : NSObject <NSLocking> {

- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;

@property (nullable, copy) NSString *name API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

@end

NSConditionLock

NSConditionLock是對(duì)NSCondition的進(jìn)一步封裝，可以設(shè)置具體的條件值

@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking> {

- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER;

@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;

@property (nullable, copy) NSString *name API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

@end

dispatch_semaphore

==semaphore==叫做”信號(hào)量”
信號(hào)量的初始值，可以用來(lái)控制線程并發(fā)訪問(wèn)的最大數(shù)量
信號(hào)量的初始值為1，代表同時(shí)只允許1條線程訪問(wèn)資源，保證線程同步

//初始化信號(hào)量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
// 如果信號(hào)量的值 > 0，就讓信號(hào)量的值減1，然后繼續(xù)往下執(zhí)行代碼
// 如果信號(hào)量的值 <= 0，就會(huì)休眠等待，直到信號(hào)量的值變成>0，就讓信號(hào)量的值減1，然后繼續(xù)往下執(zhí)行代碼
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 讓信號(hào)量的值+1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);

Semaphore宏定義

#define SemaphoreBegin \
static dispatch_semaphore_t semaphore; \
static dispatch_once_t onceToken; \
dispatch_once(&onceToken, ^{ \
    semaphore = dispatch_semaphore_create(1); \
}); \
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

#define SemaphoreEnd \
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

使用方式

SemaphoreBegin;    
// 操作 
SemaphoreEnd;

dispatch_queue

直接使用GCD的串行隊(duì)列，也是可以實(shí)現(xiàn)線程同步的

dispatch_queue_t moneyQueue;
self.moneyQueue = dispatch_queue_create("moneyQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_sync(moneyQueue, ^{
       //任務(wù)
    });

@synchronized

==@synchronized==是對(duì)==mutex==遞歸鎖的封裝
源碼查看：objc4中的objc-sync.mm文件
@synchronized(obj)內(nèi)部會(huì)生成obj對(duì)應(yīng)的遞歸鎖，然后進(jìn)行加鎖、解鎖操作

static NSObject *lock;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        lock = [[NSObject alloc] init];
    });
    
    @synchronized(lock) {
        [super __saleTicket];
    }

iOS線程同步方案性能比較

性能從高到低排序

os_unfair_lock（iOS10以后）
OSSpinLock（廢棄，存在問(wèn)題）
dispatch_semaphore
pthread_mutex
dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
NSLock
NSCondition
pthread_mutex(recursive)
NSRecursiveLock
NSConditionLock
@synchronized

自旋鎖、互斥鎖比較

什么情況使用自旋鎖比較劃算？

預(yù)計(jì)線程等待鎖的時(shí)間很短
加鎖的代碼（臨界區(qū)）經(jīng)常被調(diào)用，但競(jìng)爭(zhēng)情況很少發(fā)生
CPU資源不緊張
多核處理器

什么情況使用互斥鎖比較劃算？

預(yù)計(jì)線程等待鎖的時(shí)間較長(zhǎng)
單核處理器
臨界區(qū)有IO操作
臨界區(qū)代碼復(fù)雜或者循環(huán)量大
臨界區(qū)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈

atomic

atomic用于保證屬性setter、getter的原子性操作，相當(dāng)于在getter和setter內(nèi)部加了線程同步的鎖
可以參考源碼objc4的objc-accessors.mm
它并不能保證使用屬性的過(guò)程是線程安全的

iOS中的讀寫安全方案

思考如何實(shí)現(xiàn)以下場(chǎng)景

同一時(shí)間，只能有1個(gè)線程進(jìn)行寫的操作
同一時(shí)間，允許有多個(gè)線程進(jìn)行讀的操作
同一時(shí)間，不允許既有寫的操作，又有讀的操作

上面的場(chǎng)景就是典型的“多讀單寫”，經(jīng)常用于文件等數(shù)據(jù)的讀寫操作，iOS中的實(shí)現(xiàn)方案有

pthread_rwlock：讀寫鎖
dispatch_barrier_async：異步柵欄調(diào)用

pthread_rwlock

等待鎖的線程會(huì)進(jìn)入休眠

@property (assign, nonatomic) pthread_rwlock_t lock;
- (void)rwlockTest {
    // 初始化鎖
    pthread_rwlock_init(&_lock, NULL);
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            [self read];
        });
        dispatch_async(queue, ^{
            [self write];
        });
    }
}

- (void)read {
    pthread_rwlock_rdlock(&_lock);
    //讀任務(wù)
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}

- (void)write
{
    pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
    //寫任務(wù)
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}

- (void)dealloc
{
    pthread_rwlock_destroy(&_lock);
}

dispatch_barrier_async

這個(gè)函數(shù)傳入的并發(fā)隊(duì)列必須是自己通過(guò)dispatch_queue_cretate創(chuàng)建的
如果傳入的是一個(gè)串行或是一個(gè)全局的并發(fā)隊(duì)列，那這個(gè)函數(shù)便等同于dispatch_async函數(shù)的效果

self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];//讀操作
        });
        
        dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
            [self write];//寫操作
        });
    }

隊(duì)列的特點(diǎn)：排隊(duì)、FIFO
dispatch_sync:立刻在當(dāng)前線程執(zhí)行任務(wù)，執(zhí)行完畢才能繼續(xù)往下執(zhí)行

si指令

s->單步 step一行oc代碼
i->instruction一行匯編代碼
next -> 區(qū)別是會(huì)跳過(guò)函數(shù)
c -> continue 過(guò)掉當(dāng)前斷點(diǎn)

通過(guò)匯編代碼的調(diào)試可以看出

jne j->jump
自旋鎖（while循環(huán)）
自旋鎖屬于高級(jí)鎖：不睡覺
syscall -> 系統(tǒng)函數(shù)，睡覺去了

強(qiáng)引用thread無(wú)法解決線程的后續(xù)任務(wù)無(wú)法調(diào)用的問(wèn)題，使用runloop是為了讓線程保持激活狀態(tài)

線程同步的本質(zhì)是：多條線程不同時(shí)占用同一份資源，也就是只要按順序訪問(wèn)就不會(huì)有問(wèn)題。

信號(hào)量：控制最大并發(fā)數(shù)

synchronize是一個(gè)遞歸鎖，是對(duì)pthreadmutex的封裝
如何證明是遞歸鎖（如果可以遞歸調(diào)用，說(shuō)明是遞歸鎖）

lock和unlock之間的代碼叫臨界區(qū)

atomic

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();
    id value = objc_retain(*slot);
    slotlock.unlock();
    
    // for performance, we (safely) issue the autorelease OUTSIDE of the spinlock.
    return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}

讀寫安全：多讀單寫
讀不會(huì)破壞以前的數(shù)據(jù)。
結(jié)果之所以出現(xiàn)問(wèn)題，就是因?yàn)榘藢?改)操作

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iOS多線程總結(jié)

iOS多線程總結(jié)

iOS中的常見多線程方案

GCD的常用函數(shù)

GCD的隊(duì)列

容易混淆的術(shù)語(yǔ)

各種隊(duì)列的執(zhí)行效果

隊(duì)列組的使用

多線程的安全隱患

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多線程安全隱患示例 – 賣票

多線程安全隱患的解決方案

GNUstep

iOS中的線程同步方案

OSSpinLock

os_unfair_lock

pthread_mutex

NSLock、NSRecursiveLock

NSCondition

NSConditionLock

dispatch_semaphore

Semaphore宏定義

dispatch_queue

@synchronized

iOS線程同步方案性能比較

自旋鎖、互斥鎖比較

atomic

iOS中的讀寫安全方案

pthread_rwlock

dispatch_barrier_async

si指令

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GCD的常用函數(shù)

GCD的隊(duì)列

容易混淆的術(shù)語(yǔ)

各種隊(duì)列的執(zhí)行效果

隊(duì)列組的使用

多線程的安全隱患

多線程安全隱患示例 – 存錢取錢

多線程安全隱患示例 – 賣票

多線程安全隱患的解決方案

GNUstep

iOS中的線程同步方案

OSSpinLock

os_unfair_lock

pthread_mutex

NSLock、NSRecursiveLock

NSCondition

NSConditionLock

dispatch_semaphore

Semaphore宏定義

dispatch_queue

@synchronized

iOS線程同步方案性能比較

自旋鎖、互斥鎖比較

atomic

iOS中的讀寫安全方案

pthread_rwlock

dispatch_barrier_async

si指令

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NSLock、NSRecursiveLock

自旋鎖、互斥鎖比較