iOS-底層原理(23)-多線程的安全隱患+11種同步解決方案

一 多線程的安全隱患
  • 資源共享
    • 1塊資源可能會被多個線程共享，也就是多個線程可能會訪問同一塊資源
    • 比如多個線程訪問同一個對象、同一個變量、同一個文件

當多個線程訪問同一塊資源時，很容易引發(fā)數(shù)據(jù)錯亂和數(shù)據(jù)安全問題

代碼例子如下

/** 賣1張票 */
- (void)saleTicket {
    int oldTicketsCount = self.ticketsCount;
    sleep(.2);
    oldTicketsCount--;
    self.ticketsCount = oldTicketsCount;
    
    NSLog(@"還剩%d張票 - %@", oldTicketsCount, [NSThread currentThread]);
}

/** 賣票演示 */
- (void)ticketTest {
    self.ticketsCount = 15;
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    // 窗口一
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    // 窗口二
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    // 窗口三
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
}

執(zhí)行結(jié)果

image.png
多線程安全隱患分析
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二 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)，按預定的先后次序進行）
  • 常見的線程同步技術(shù)是：加鎖
image.png
三 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
各種同步方案實現(xiàn)如下
3.1 OSSpinLock
  • OSSpinLock叫做”自旋鎖”，等待鎖的線程會處于忙等（busy-wait）狀態(tài)，一直占用著CPU資源
  • 目前已經(jīng)不再安全，可能會出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題
  • 如果等待鎖的線程優(yōu)先級較高，它會一直占用著CPU資源，優(yōu)先級低的線程就無法釋放鎖
  • 需要導入頭文件#import <libkern/OSAtomic.h>
  • 重要方法
    • OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT; 初始化鎖
    • bool result = OSSpinLockTry(&_lock); 嘗試加鎖(如果需要等待,就不嘗試加鎖,直接返回false,如果不需要等待就加鎖,返回true)
    • OSSpinLockLock(&_lock);// 加鎖
    • OSSpinLockUnlock(&_lock); //解鎖

代碼例子如下

#import <libkern/OSAtomic.h>
@property (assign, nonatomic) OSSpinLock lock;

// 初始化鎖
self.lock = OS_SPINLOCK_INIT;

/** 賣1張票 */
- (void)saleTicket {
    // 加鎖
    OSSpinLockLock(&_lock);
    
    int oldTicketsCount = self.ticketsCount;
    sleep(.2);
    oldTicketsCount--;
    self.ticketsCount = oldTicketsCount;
    
    NSLog(@"還剩%d張票 - %@", oldTicketsCount, [NSThread currentThread]);
    
    // 解鎖
    OSSpinLockUnlock(&_lock);
}

執(zhí)行結(jié)果

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3.2 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鎖的線程會處于休眠狀態(tài)，并非忙等
  • 需要導入頭文件#import <os/lock.h>
  • 重要方法
    • os_unfair_lock moneyLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT; //初始化
    • os_unfair_lock_trylock(&_ticketLock); // 嘗試加鎖
    • os_unfair_lock_lock(&_ticketLock); // 加鎖
    • os_unfair_lock_unlock(&_ticketLock); // 解鎖

3.3 pthread_mutex

  • mutex叫做”互斥鎖”，等待鎖的線程會處于休眠狀態(tài)
  • 需要導入頭文件#import <pthread.h>
  • 重要方法
// 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);
// 嘗試加鎖
pthread_mutex_trylock(&_ticketMutex);
// 加鎖
pthread_mutex_lock(&_ticketMutex);
// 解鎖
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
// 銷毀屬性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
3.4 pthread_mutex遞歸鎖實現(xiàn)
- (void)__initMutex:(pthread_mutex_t *)mutex {
    // 遞歸鎖：允許同一個線程對一把鎖進行重復加鎖
    
    // 初始化屬性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    // 初始化鎖
    pthread_mutex_init(mutex, &attr);
    // 銷毀屬性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
}

調(diào)用

- (void)otherTest {
    pthread_mutex_lock(&_mutex);
    NSLog(@"%s", __func__);
    
    static int count = 0;
    if (count < 10) {
        count++;
        [self otherTest];
    }
    
    pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

打印結(jié)果

image.png
3.5 pthread_mutex – 條件
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3.6 NSLock
  • NSLock是對mutex普通鎖的封裝

重要方法如下

  • NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];初始化
  • [lock lock] 加鎖
  • [lock unlock] 解鎖
3.7 NSRecursiveLock
  • NSRecursiveLock也是對mutex遞歸鎖的封裝，API跟NSLock基本一致
3.8 NSCondition
  • NSCondition是對mutex和cond的封裝
    重要方法
@interface NSCondition: NSObject <NSLocking>
- (void)wait;   // 等待
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;  // 只等待到什么時候
- (void)signal; // 發(fā)信號
- (void)broadcast;  // 發(fā)廣播
@end

代碼例子如下

- (void)otherTest {
    // remove和add方法不確定誰先執(zhí)行
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__remove) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__add) object:nil] start];
}

// 刪除數(shù)組中的元素
- (void)__remove {
    [self.condition lock];
    NSLog(@"__remove - begin");
    
    if (self.data.count == 0) {
        // 等待
        [self.condition wait];
    }
    
    [self.data removeLastObject];
    NSLog(@"刪除了元素");
    
    [self.condition unlock];
}

// 線程2
// 往數(shù)組中添加元素
- (void)__add {
    [self.condition lock];
    
    sleep(1);
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    NSLog(@"添加了元素");
    
    // 信號
    NSLog(@"發(fā)出信號");
    [self.condition signal];
    // 廣播
//    [self.condition broadcast];
    
    sleep(2);
    
    [self.condition unlock];
}

運行結(jié)果

image.png

更改執(zhí)行順序

// 往數(shù)組中添加元素
- (void)__add {
    [self.condition lock];
    
    sleep(1);
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    NSLog(@"添加了元素");
    
    [self.condition unlock];
    
    sleep(2);
    
    // 信號
    NSLog(@"發(fā)出信號");
    [self.condition signal];
    // 廣播
//    [self.condition broadcast];
}

運行結(jié)果

image.png

wait不僅僅需要接受到信號后才能執(zhí)行，而且必須具備加鎖條件，這個時候才會接著往下執(zhí)行。

3.9 NSConditionLock
  • NSConditionLock是對NSCondition的進一步封裝，可以設置具體的條件值
image.png

代碼例子如下

@property (strong, nonatomic) NSConditionLock *conditionLock;

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
//        [[NSConditionLock alloc] init]; // 默認為0
        self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];
    }
    return self;
}

- (void)otherTest {
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__one) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__two) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__three) object:nil] start];
}

- (void)__one {
    [self.conditionLock lockWhenCondition:1];
    
    NSLog(@"__one");
    sleep(1);
    
    [self.conditionLock unlockWithCondition:2];
}

- (void)__two {
    [self.conditionLock lockWhenCondition:2];
    
    NSLog(@"__two");
    sleep(1);
    
    [self.conditionLock unlockWithCondition:3];
}

- (void)__three {
    [self.conditionLock lockWhenCondition:3];
    
    NSLog(@"__three");
    
    [self.conditionLock unlock];
}

執(zhí)行結(jié)果

image.png
3.10 dispatch_queue
  • 直接使用GCD的串行隊列，也是可以實現(xiàn)線程同步的
image.png

代碼例子如下

@property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t ticketQueue;

self.ticketQueue = dispatch_queue_create("ticketQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

- (void)__saleTicket {
    dispatch_sync(self.ticketQueue, ^{
        [super __saleTicket];
    });
}
3.10 dispatch_semaphore
  • nsemaphore叫做信號量
  • 信號量的初始值，可以用來控制線程并發(fā)訪問的最大數(shù)量
  • 信號量的初始值為1，代表同時只允許1條線程訪問資源，保證線程同步
image.png

代碼例子如下

@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t ticketSemaphore;
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t moneySemaphore;

self.ticketSemaphore = dispatch_semaphore_create(1);
self.moneySemaphore = dispatch_semaphore_create(1);

- (void)__drawMoney {
    dispatch_semaphore_wait(self.moneySemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    [super __drawMoney];
    
    dispatch_semaphore_signal(self.moneySemaphore);
}

- (void)__saveMoney {
    dispatch_semaphore_wait(self.moneySemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    [super __saveMoney];
    
    dispatch_semaphore_signal(self.moneySemaphore);
}

- (void)__saleTicket {
    dispatch_semaphore_wait(self.ticketSemaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    [super __saleTicket];
    
    dispatch_semaphore_signal(self.ticketSemaphore);
}
3.11 @synchronized
  • @synchronized是對mutex遞歸鎖的封裝
  • 源碼查看：objc4中的objc-sync.mm文件
  • @synchronized(obj)內(nèi)部會生成obj對應的遞歸鎖，然后進行加鎖、解鎖操作
@synchronized(obj) {
    任務
}

obj 可以是同一個實例對象，類對象，靜態(tài)變量

代碼例子如下

- (void)__drawMoney {
    @synchronized([self class]) {
        [super __drawMoney];
    }
}

- (void)__saveMoney {
    @synchronized([self class]) { // objc_sync_enter
        [super __saveMoney];
    } // objc_sync_exit
}

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

// 遞歸鎖 - 可以遞歸
- (void)otherTest {
    @synchronized([self class]) {
        NSLog(@"123");
        [self otherTest];
    }
}
四 iOS線程同步方案性能比較

性能從高到低排序

  • os_unfair_lock
  • OSSpinLock
  • dispatch_semaphore
  • pthread_mutex
  • dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
  • NSLock
  • NSCondition
  • pthread_mutex(recursive)
  • NSRecursiveLock
  • NSConditionLock
  • @synchronized
五自旋鎖、互斥鎖比較

什么情況使用自旋鎖比較劃算？

  • 預計線程等待鎖的時間很短
  • 加鎖的代碼（臨界區(qū)）經(jīng)常被調(diào)用，但競爭情況很少發(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？

  • 預計線程等待鎖的時間較長
  • 單核處理器
  • 臨界區(qū)有IO操作
  • 臨界區(qū)代碼復雜或者循環(huán)量大
  • 臨界區(qū)競爭非常激烈

本文參考MJ底層原理教程，非常感謝MJ老師

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