iOS中保證線程安全的幾種方式與性能對比

一、前言

前段時間看了幾個開源項目，發(fā)現(xiàn)他們保持線程同步的方式各不相同，有@synchronized、NSLock、dispatch_semaphore、NSCondition、pthread_mutex、OSSpinLock。后來網(wǎng)上查了一下，發(fā)現(xiàn)他們的實現(xiàn)機制各不相同，性能也各不一樣。不好意思，我們平常使用最多的@synchronized是性能最差的。下面我們先分別介紹每個加鎖方式的使用，在使用一個案例來對他們進(jìn)行性能對比。

二、介紹與使用

2.1、@synchronized

    NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        @synchronized(obj) {
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
            sleep(3);
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
        }
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(1);
        @synchronized(obj) {
            NSLog(@"需要線程同步的操作2");
        }
    });

@synchronized(obj)指令使用的obj為該鎖的唯一標(biāo)識，只有當(dāng)標(biāo)識相同時，才為滿足互斥，如果線程2中的@synchronized(obj)改為@synchronized(self),剛線程2就不會被阻塞，@synchronized指令實現(xiàn)鎖的優(yōu)點就是我們不需要在代碼中顯式的創(chuàng)建鎖對象，便可以實現(xiàn)鎖的機制，但作為一種預(yù)防措施，@synchronized塊會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候自動的釋放互斥鎖。所以如果不想讓隱式的異常處理例程帶來額外的開銷，你可以考慮使用鎖對象。

上面結(jié)果的執(zhí)行結(jié)果為：

2016-06-29 20:48:35.747 SafeMultiThread[35945:580107] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-29 20:48:38.748 SafeMultiThread[35945:580107] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2016-06-29 20:48:38.749 SafeMultiThread[35945:580118] 需要線程同步的操作2

2.2、dispatch_semaphore

    dispatch_semaphore_t signal = dispatch_semaphore_create(1);
    dispatch_time_t overTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 3 * NSEC_PER_SEC);

    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        dispatch_semaphore_wait(signal, overTime);
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
            sleep(2);
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
        dispatch_semaphore_signal(signal);
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(1);
        dispatch_semaphore_wait(signal, overTime);
            NSLog(@"需要線程同步的操作2");
        dispatch_semaphore_signal(signal);
    });

dispatch_semaphore是GCD用來同步的一種方式，與他相關(guān)的共有三個函數(shù)，分別是dispatch_semaphore_create，dispatch_semaphore_signal，dispatch_semaphore_wait。

（1）dispatch_semaphore_create的聲明為：

dispatch_semaphore_t dispatch_semaphore_create(long value);

傳入的參數(shù)為long，輸出一個dispatch_semaphore_t類型且值為value的信號量。

值得注意的是，這里的傳入的參數(shù)value必須大于或等于0，否則dispatch_semaphore_create會返回NULL。

（2）dispatch_semaphore_signal的聲明為：

long dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema)

這個函數(shù)會使傳入的信號量dsema的值加1；

(3) dispatch_semaphore_wait的聲明為：

long dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout)；

這個函數(shù)會使傳入的信號量dsema的值減1；這個函數(shù)的作用是這樣的，如果dsema信號量的值大于0，該函數(shù)所處線程就繼續(xù)執(zhí)行下面的語句，并且將信號量的值減1；如果desema的值為0，那么這個函數(shù)就阻塞當(dāng)前線程等待timeout（注意timeout的類型為dispatch_time_t，不能直接傳入整形或float型數(shù)），如果等待的期間desema的值被dispatch_semaphore_signal函數(shù)加1了，且該函數(shù)（即dispatch_semaphore_wait）所處線程獲得了信號量，那么就繼續(xù)向下執(zhí)行并將信號量減1。如果等待期間沒有獲取到信號量或者信號量的值一直為0，那么等到timeout時，其所處線程自動執(zhí)行其后語句。

dispatch_semaphore 是信號量，但當(dāng)信號總量設(shè)為 1 時也可以當(dāng)作鎖來。在沒有等待情況出現(xiàn)時，它的性能比 pthread_mutex 還要高，但一旦有等待情況出現(xiàn)時，性能就會下降許多。相對于 OSSpinLock 來說，它的優(yōu)勢在于等待時不會消耗 CPU 資源。

如上的代碼，如果超時時間overTime設(shè)置成>2，可完成同步操作。如果overTime<2的話，在線程1還沒有執(zhí)行完成的情況下，此時超時了，將自動執(zhí)行下面的代碼。

上面代碼的執(zhí)行結(jié)果為：

2016-06-29 20:47:52.324 SafeMultiThread[35945:579032] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-29 20:47:55.325 SafeMultiThread[35945:579032] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2016-06-29 20:47:55.326 SafeMultiThread[35945:579033] 需要線程同步的操作2

如果把超時時間設(shè)置為<2s的時候，執(zhí)行的結(jié)果就是：

2016-06-30 18:53:24.049 SafeMultiThread[30834:434334] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-30 18:53:25.554 SafeMultiThread[30834:434332] 需要線程同步的操作2
2016-06-30 18:53:26.054 SafeMultiThread[30834:434334] 需要線程同步的操作1 結(jié)束

2.3、NSLock

    NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        //[lock lock];
        [lock lockBeforeDate:[NSDate date]];
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
            sleep(2);
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
        [lock unlock];
        
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(1);
        if ([lock tryLock]) {//嘗試獲取鎖，如果獲取不到返回NO，不會阻塞該線程
            NSLog(@"鎖可用的操作");
            [lock unlock];
        }else{
            NSLog(@"鎖不可用的操作");
        }
        
        NSDate *date = [[NSDate alloc] initWithTimeIntervalSinceNow:3];
        if ([lock lockBeforeDate:date]) {//嘗試在未來的3s內(nèi)獲取鎖，并阻塞該線程，如果3s內(nèi)獲取不到恢復(fù)線程, 返回NO,不會阻塞該線程
            NSLog(@"沒有超時，獲得鎖");
            [lock unlock];
        }else{
            NSLog(@"超時，沒有獲得鎖");
        }
        
    });

NSLock是Cocoa提供給我們最基本的鎖對象，這也是我們經(jīng)常所使用的，除lock和unlock方法外，NSLock還提供了tryLock和lockBeforeDate:兩個方法，前一個方法會嘗試加鎖，如果鎖不可用(已經(jīng)被鎖住)，剛并不會阻塞線程，并返回NO。lockBeforeDate:方法會在所指定Date之前嘗試加鎖，如果在指定時間之前都不能加鎖，則返回NO。

上面代碼的執(zhí)行結(jié)果為：

2016-06-29 20:45:08.864 SafeMultiThread[35911:575795] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-29 20:45:09.869 SafeMultiThread[35911:575781] 鎖不可用的操作
2016-06-29 20:45:10.869 SafeMultiThread[35911:575795] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2016-06-29 20:45:10.870 SafeMultiThread[35911:575781] 沒有超時，獲得鎖

源碼定義如下：

@protocol NSLocking

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

@end

@interface NSLock : NSObject <NSLocking> {
@private
    void *_priv;
}

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

@property (nullable, copy) NSString *name NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

@end

2.4、NSRecursiveLock遞歸鎖

    //NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
    NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        static void (^RecursiveMethod)(int);
        
        RecursiveMethod = ^(int value) {
            
            [lock lock];
            if (value > 0) {
                
                NSLog(@"value = %d", value);
                sleep(1);
                RecursiveMethod(value - 1);
            }
            [lock unlock];
        };
        
        RecursiveMethod(5);
    });

NSRecursiveLock實際上定義的是一個遞歸鎖，這個鎖可以被同一線程多次請求，而不會引起死鎖。這主要是用在循環(huán)或遞歸操作中。

這段代碼是一個典型的死鎖情況。在我們的線程中，RecursiveMethod是遞歸調(diào)用的。所以每次進(jìn)入這個block時，都會去加一次鎖，而從第二次開始，由于鎖已經(jīng)被使用了且沒有解鎖，所以它需要等待鎖被解除，這樣就導(dǎo)致了死鎖，線程被阻塞住了。調(diào)試器中會輸出如下信息：

2016-06-30 19:08:06.393 SafeMultiThread[30928:449008] value = 5
2016-06-30 19:08:07.399 SafeMultiThread[30928:449008] *** -[NSLock lock]: deadlock (<NSLock: 0x7fd811d28810> '(null)')
2016-06-30 19:08:07.399 SafeMultiThread[30928:449008] *** Break on _NSLockError() to debug.

在這種情況下，我們就可以使用NSRecursiveLock。它可以允許同一線程多次加鎖，而不會造成死鎖。遞歸鎖會跟蹤它被lock的次數(shù)。每次成功的lock都必須平衡調(diào)用unlock操作。只有所有達(dá)到這種平衡，鎖最后才能被釋放，以供其它線程使用。

如果我們將NSLock代替為NSRecursiveLock，上面代碼則會正確執(zhí)行。

2016-06-30 19:09:41.414 SafeMultiThread[30949:450684] value = 5
2016-06-30 19:09:42.418 SafeMultiThread[30949:450684] value = 4
2016-06-30 19:09:43.419 SafeMultiThread[30949:450684] value = 3
2016-06-30 19:09:44.424 SafeMultiThread[30949:450684] value = 2
2016-06-30 19:09:45.426 SafeMultiThread[30949:450684] value = 1

如果需要其他功能，源碼定義如下：

@interface NSRecursiveLock : NSObject <NSLocking> {
@private
    void *_priv;
}

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

@property (nullable, copy) NSString *name NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

@end

2.5、NSConditionLock條件鎖

    NSMutableArray *products = [NSMutableArray array];
    
    NSInteger HAS_DATA = 1;
    NSInteger NO_DATA = 0;
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        while (1) {
            [lock lockWhenCondition:NO_DATA];
            [products addObject:[[NSObject alloc] init]];
            NSLog(@"produce a product,總量:%zi",products.count);
            [lock unlockWithCondition:HAS_DATA];
            sleep(1);
        }
        
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        while (1) {
            NSLog(@"wait for product");
            [lock lockWhenCondition:HAS_DATA];
            [products removeObjectAtIndex:0];
            NSLog(@"custome a product");
            [lock unlockWithCondition:NO_DATA];
        }
        
    });

當(dāng)我們在使用多線程的時候，有時一把只會lock和unlock的鎖未必就能完全滿足我們的使用。因為普通的鎖只能關(guān)心鎖與不鎖，而不在乎用什么鑰匙才能開鎖，而我們在處理資源共享的時候，多數(shù)情況是只有滿足一定條件的情況下才能打開這把鎖：

在線程1中的加鎖使用了lock，所以是不需要條件的，所以順利的就鎖住了，但在unlock的使用了一個整型的條件，它可以開啟其它線程中正在等待這把鑰匙的臨界地，而線程2則需要一把被標(biāo)識為2的鑰匙，所以當(dāng)線程1循環(huán)到最后一次的時候，才最終打開了線程2中的阻塞。但即便如此，NSConditionLock也跟其它的鎖一樣，是需要lock與unlock對應(yīng)的，只是lock,lockWhenCondition:與unlock，unlockWithCondition:是可以隨意組合的，當(dāng)然這是與你的需求相關(guān)的。

上面代碼執(zhí)行結(jié)果如下：

2016-06-30 20:31:58.699 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product
2016-06-30 20:31:58.699 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:31:58.700 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product
2016-06-30 20:31:58.700 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product
2016-06-30 20:31:59.705 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:31:59.706 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product
2016-06-30 20:31:59.706 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product
2016-06-30 20:32:00.707 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:32:00.708 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product

如果你需要其他功能，源碼定義如下：

@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking> {
@private
    void *_priv;
}

- (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 NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

@end

2.6、NSCondition

    NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init];
    
    NSMutableArray *products = [NSMutableArray array];
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        while (1) {
            [condition lock];
            if ([products count] == 0) {
                NSLog(@"wait for product");
                [condition wait];
            }
            [products removeObjectAtIndex:0];
            NSLog(@"custome a product");
            [condition unlock];
        }

    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        while (1) {
            [condition lock];
            [products addObject:[[NSObject alloc] init]];
            NSLog(@"produce a product,總量:%zi",products.count);
            [condition signal];
            [condition unlock];
            sleep(1);
        }

    });

一種最基本的條件鎖。手動控制線程wait和signal。

[condition lock];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 unlock];與lock 同時使用

[condition wait];讓當(dāng)前線程處于等待狀態(tài)

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

上面代碼執(zhí)行結(jié)果如下：

2016-06-30 20:21:25.295 SafeMultiThread[31256:513991] wait for product
2016-06-30 20:21:25.296 SafeMultiThread[31256:513994] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:21:25.296 SafeMultiThread[31256:513991] custome a product
2016-06-30 20:21:25.297 SafeMultiThread[31256:513991] wait for product
2016-06-30 20:21:26.302 SafeMultiThread[31256:513994] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:21:26.302 SafeMultiThread[31256:513991] custome a product
2016-06-30 20:21:26.302 SafeMultiThread[31256:513991] wait for product
2016-06-30 20:21:27.307 SafeMultiThread[31256:513994] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:21:27.308 SafeMultiThread[31256:513991] custome a product

2.7、pthread_mutex

    __block pthread_mutex_t theLock;
    pthread_mutex_init(&theLock, NULL);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            pthread_mutex_lock(&theLock);
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
            sleep(3);
            NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
            pthread_mutex_unlock(&theLock);
        
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            sleep(1);
            pthread_mutex_lock(&theLock);
            NSLog(@"需要線程同步的操作2");
            pthread_mutex_unlock(&theLock);
        
    });

c語言定義下多線程加鎖方式。

1：pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex,const pthread_mutexattr_t attr);
初始化鎖變量mutex。attr為鎖屬性，NULL值為默認(rèn)屬性。
2：pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);加鎖
3：pthread_mutex_tylock(pthread_mutex_t* mutex);加鎖，但是與2不一樣的是當(dāng)鎖已經(jīng)在使用的時候，返回為EBUSY，而不是掛起等待。
4：pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);釋放鎖
5：pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* *mutex);使用完后釋放

代碼執(zhí)行操作結(jié)果如下：

2016-06-30 21:13:32.440 SafeMultiThread[31429:548869] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-30 21:13:35.445 SafeMultiThread[31429:548869] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2016-06-30 21:13:35.446 SafeMultiThread[31429:548866] 需要線程同步的操作2

2.8、pthread_mutex(recursive)

    __block pthread_mutex_t theLock;
    //pthread_mutex_init(&theLock, NULL);
    
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    pthread_mutex_init(&lock, &attr);
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        static void (^RecursiveMethod)(int);
        
        RecursiveMethod = ^(int value) {
            
            pthread_mutex_lock(&theLock);
            if (value > 0) {
                
                NSLog(@"value = %d", value);
                sleep(1);
                RecursiveMethod(value - 1);
            }
            pthread_mutex_unlock(&theLock);
        };
        
        RecursiveMethod(5);
    });

這是pthread_mutex為了防止在遞歸的情況下出現(xiàn)死鎖而出現(xiàn)的遞歸鎖。作用和NSRecursiveLock遞歸鎖類似。

如果使用pthread_mutex_init(&theLock, NULL);初始化鎖的話，上面的代碼會出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。如果使用遞歸鎖的形式，則沒有問題。

2.9、OSSpinLock

__block OSSpinLock theLock = OS_SPINLOCK_INIT;
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    OSSpinLockLock(&theLock);
    NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
    sleep(3);
    NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
    OSSpinLockUnlock(&theLock);
    
});

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    OSSpinLockLock(&theLock);
    sleep(1);
    NSLog(@"需要線程同步的操作2");
    OSSpinLockUnlock(&theLock);
    
});

OSSpinLock 自旋鎖，性能最高的鎖。原理很簡單，就是一直 do while 忙等。它的缺點是當(dāng)?shù)却龝r會消耗大量 CPU 資源，所以它不適用于較長時間的任務(wù)。 不過最近YY大神在自己的博客不再安全的 OSSpinLock中說明了OSSpinLock已經(jīng)不再安全，請大家謹(jǐn)慎使用。

三、性能對比

對以上各個鎖進(jìn)行1000000此的加鎖解鎖的空操作時間如下：

OSSpinLock: 46.15 ms
dispatch_semaphore: 56.50 ms
pthread_mutex: 178.28 ms
NSCondition: 193.38 ms
NSLock: 175.02 ms
pthread_mutex(recursive): 172.56 ms
NSRecursiveLock: 157.44 ms
NSConditionLock: 490.04 ms
@synchronized: 371.17 ms

總的來說：

OSSpinLock和dispatch_semaphore的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他。

@synchronized和NSConditionLock效率較差。

鑒于OSSpinLock的不安全，所以我們在開發(fā)中如果考慮性能的話，建議使用dispatch_semaphore。

如果不考慮性能，只是圖個方便的話，那就使用@synchronized。

四、聯(lián)系方式

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