引用自多線程編程指南
應(yīng)用程序里面多個線程的存在引發(fā)了多個執(zhí)行線程安全訪問資源的潛在問題。兩個線程同時修改同一資源有可能以意想不到的方式互相干擾。比如,一個線程可能覆蓋其他線程改動的地方,或讓應(yīng)用程序進(jìn)入一個未知的潛在無效狀態(tài)。如果你幸運(yùn)的話,受損的資源可能會導(dǎo)致明顯的性能問題或崩潰,這樣比較容易跟蹤并修復(fù)它。然而如果你不走運(yùn),資源受損可能導(dǎo)致微妙的錯誤,這些錯誤不會立即顯現(xiàn)出來,而是很久之后才出現(xiàn),或者導(dǎo)致其他可能需要一個底層的編碼來顯著修復(fù)的錯誤。
但涉及到線程安全時,一個好的設(shè)計是最好的保護(hù)。避免共享資源,并盡量減少線程間的相互作用,這樣可以讓它們減少互相的干擾。但是一個完全無干擾的設(shè)計是不可能的。在線程必須交互的情況下,你需要使用同步工具,來確保當(dāng)它們交互的時候是安全的。

一、同步工具

• 原子操作
  原子操作是同步的一個簡單的形式,它處理簡單的數(shù)據(jù)類型。原子操作的優(yōu)勢是它們不妨礙競爭的線程。對于簡單的操作,比如遞增一個計數(shù)器,原子操作比使用鎖具有更高的性能優(yōu)勢。
• 內(nèi)存屏障和 Volatile 變量
  為了達(dá)到最佳性能,編譯器通常會對匯編基本的指令進(jìn)行重新排序來盡可能保持處理器的指令流水線。作為優(yōu)化的一部分,編譯器有可能對訪問主內(nèi)存的指令,如果它認(rèn)為這有可能產(chǎn)生不正確的數(shù)據(jù)時,將會對指令進(jìn)行重新排序。不幸的是,靠編譯器檢測到所有可能內(nèi)存依賴的操作幾乎總是不太可能的。如果看似獨(dú)立的變量實(shí)際上是相互影響,那么編譯器優(yōu)化有可能把這些變量更新位錯誤的順序,導(dǎo)致潛在不不正確結(jié)果。
  內(nèi)存屏障(memory barrier) 是一個使用來確保內(nèi)存操作按照正確的順序工作的非阻塞的同步工具。內(nèi)存屏障的作用就像一個柵欄,迫使處理器來完成位于障礙前面的任何加載和存儲操作,才允許它執(zhí)行位于屏障之后的加載和存儲操作。內(nèi)存屏障同樣使用來確保一個線程(但對另外一個線程可見)的內(nèi)存操作總是按照預(yù)定的順序完成。如果在這些地方缺少內(nèi)存屏障有可能讓其他線程看到看似不可能的結(jié)果(比如,內(nèi)存屏障的維基百科條目)。為了使用一個內(nèi)存屏障,你只要在你代碼里面需要的地方簡單的調(diào)用 OSMemoryBarrier 函數(shù)。
  Volatile 變量適用于獨(dú)立變量的另一個內(nèi)存限制類型。編譯器優(yōu)化代碼通過加載這些變量的值進(jìn)入寄存器。對于本地變量,這通常不會有什么問題。但是如果一個變量對另外一個線程可見,那么這種優(yōu)化可能會阻止其他線程發(fā)現(xiàn)變量的任何變化。在變量之前加上關(guān)鍵字 volatile 可以強(qiáng)制編譯器每次使用變量的時候都從內(nèi)存里面加載。如果一個變量的值隨時可能給編譯器無法檢測的外部源更改,那么你可以把該變量聲明為 volatile 變量。
  因?yàn)閮?nèi)存屏障和 volatile 變量降低了編譯器可執(zhí)行的優(yōu)化,因此你應(yīng)該謹(jǐn)慎使用它們,只在有需要的地方時候,以確保正確性。
• 鎖
  鎖是最常用的同步工具。你可以是使用鎖來保護(hù)臨界區(qū)(critical section),這些代碼段在同一個時間只能允許被一個線程訪問。比如,一個臨界區(qū)可能會操作一個特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),或使用了每次只能一個客戶端訪問的資源。
  下面列出了程序最常使用的鎖。Mac OS X 和 iOS 提供了這些鎖里面大部分類型的實(shí)現(xiàn),但是并不是全部實(shí)現(xiàn)。對于不支持的鎖類型,說明列解析了為什么這些鎖不能直接在平臺上面實(shí)現(xiàn)的原因。
  • Mutex 互斥鎖：
    一個互斥鎖扮演了圍繞一個資源的保護(hù)的柵欄。互斥鎖是一種讓資源同一時間只能通過一個線程訪問的信號量。如果一個互斥鎖正在使用，有其他線程嘗試去訪問它，那么線程會一直阻塞知道互斥鎖被原來的持有者釋放。如果多線程為了一個互斥鎖競爭，在同一時間只有一個線程被允許訪問。
  • Recursive lock 遞歸鎖
    遞歸所是一個變種的互斥鎖。地貴所允許一個線程去在釋放之前訪問多次。其他的線程一直保持著阻塞狀態(tài)知道所的持有者釋放鎖的次數(shù)和創(chuàng)建時候一樣為止。遞歸鎖主要是在遞歸期間使用但是也可以被用在當(dāng)多個方法都需要分別獲取鎖的時候來使用。
  • Read-write lock 讀寫鎖
    讀寫鎖也被稱為 shared-exclusive 鎖，這個類型的鎖通常用于大范圍的操作并且能夠顯著的提升性能如果受保護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)常被頻繁的讀取和偶爾的修改。在普通的操作期間，多個讀者可以同時訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個線程想要去寫數(shù)據(jù)的時候，他會一直阻塞知道所有的讀者釋放這個鎖，到那時他才可以拿到這個鎖并且更新數(shù)據(jù)。當(dāng)一個寫線程正在等待鎖的時候，一個新的讀線程會組織色知道這個寫線程結(jié)束操作。系統(tǒng)只支持 POSIX 線程使用讀寫鎖。想知道更多的信息請查看這里 pthread
  • Distributed lock分布鎖
    一個分布鎖在程序級別提供了互斥的訪問。不像一個真正的互斥鎖，一個分布所不會阻塞一個程序或者在它運(yùn)行的時候去保護(hù)它。它僅僅是當(dāng)鎖忙的時候會報告之后讓程序來決定如何處理。
  • Spin lock自旋鎖
    自旋鎖會一直檢測它鎖的情況知道條件為真。自旋鎖多被用在多處理器系統(tǒng)的期待等待鎖的時間比較小的時候。在這些情況下，更有效率的做法是去檢測而不是去包括上下文的切換和刷新線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)那樣去阻塞線程。因?yàn)樽孕i的輪詢性質(zhì)系統(tǒng)不提供任何的自旋鎖。更多的信息可以參考內(nèi)核編程指南。
  • Double-checked lock 雙重檢查鎖
    雙重檢查鎖定試圖采取一個鎖的開銷減少測試前鎖定標(biāo)準(zhǔn)鎖。因?yàn)殡p重檢查鎖定潛在的不安全,系統(tǒng)不提供顯式支持他們和他們的使用是。
    注意 ：大部分鎖類型都合并了內(nèi)存屏障來確保在進(jìn)入臨界區(qū)之前它前面的加載和存儲指令都已經(jīng)完成。
• 條件
  條件是信號量的另外一個形式,它允許在條件為真的時候線程間互相發(fā)送信號。條件通常被使用來說明資源可用性,或用來確保任務(wù)以特定的順序執(zhí)行。當(dāng)一個線程測試一個條件時,它會被阻塞直到條件為真。它會一直阻塞直到其他線程顯式的修改
  信號量的狀態(tài)。條件和互斥鎖(mutex lock)的區(qū)別在于多個線程被允許同時訪問一個條件。條件更多是允許不同線程根據(jù)一些指定的標(biāo)準(zhǔn)通過的守門人。
  一個方式是你使用條件來管理掛起事件的池。事件隊(duì)列可能使用條件變量來給等待線程發(fā)送信號,此時它們在事件隊(duì)列中的時候。如果一個事件到達(dá)時,隊(duì)列將給條件發(fā)送合適信號。如果一個線程已經(jīng)處于等待,它會被喚醒,屆時它將會取出事件并處理它。如果兩個事件到達(dá)隊(duì)列的時間大致相同,隊(duì)列將會發(fā)送兩次信號喚醒兩個線程。
• 執(zhí)行 Selector 例程
  Cocoa 程序包含了一個在一個線程以同步的方式傳遞消息的方便方法。NSObject類聲明方法來在應(yīng)用的一個活動線程上面執(zhí)行 selector 的方法。這些方法允許你的線程以異步的方式來傳遞消息,以確保它們在同一個線程上面執(zhí)行是同步的。比如,你可以通過執(zhí)行 selector 消息來把一個從你分布計算的結(jié)果傳遞給你的應(yīng)用的主線程或其他目標(biāo)線程。每個執(zhí)行 selector 的請求都會被放入一個目標(biāo)線程的 run loop的隊(duì)列里面,然后請求會按照它們到達(dá)的順序被目標(biāo)線程有序的處理。

二、同步的成本和性能

• 同步幫助確保你代碼的正確性,但同時將會犧牲部分性能。鎖和原子操作通常包含了內(nèi)存屏障和內(nèi)核級別同步的使用來確保代碼正確被保護(hù)。如果,發(fā)生鎖的爭奪,你的線程有可能進(jìn)入阻塞,在體驗(yàn)上會產(chǎn)生更大的遲延。
  以下數(shù)據(jù)列出了在無爭議情況下使用互斥鎖和原子操作的近似的相關(guān)成本。這些測試的平均值是使用了上千的樣本分析出的結(jié)果。隨著線程創(chuàng)建時間的推移,互斥采集時間(即使在無爭議情況下)可能相差也很大,這依賴于進(jìn)程的加載,計算機(jī)的處理速度和系統(tǒng)和程序現(xiàn)有可用的內(nèi)存。
  • 互斥獲取時間約0.2微秒，這是在一個無爭議的情況下鎖獲取時間。如果另一個線程持有的鎖，獲取時間可以更大。測定的數(shù)據(jù)分析生成的均值和中位數(shù)的值在互斥鎖在英特爾的iMac收購2 GHz酷睿雙核處理器,1 GB的運(yùn)行Mac OS X v10.5RAM。
  • 原子微妙比較和交換，0.05微妙，這是比較時間在一個無爭議的情況下。數(shù)據(jù)分析測定均值和中位數(shù)的值操作,生成一個基于英特爾處理器的iMac 2 GHz酷睿雙核處理器,1 GB內(nèi)存運(yùn)行原子大約0.05微秒比較。
    當(dāng)設(shè)計你的并發(fā)任務(wù)時,正確性是最重要的因素,但是也要考慮性能因素。代碼在多個線程下面正確執(zhí)行,但比相同代碼在當(dāng)線程執(zhí)行慢,這是難以改善的。如果你是改造已有的單線程應(yīng)用,你應(yīng)該始終給關(guān)鍵任務(wù)的性能設(shè)置測量基線。當(dāng)增加額外線程后,對相同的任務(wù)你應(yīng)該采取新的測量方法并比較多線程和單線程情況下的性能狀況。在改變代碼之后,線程并沒有提高性能,你應(yīng)該需要重新考慮具體的實(shí)現(xiàn)或同時使用線程。

三、線程安全和信號量

當(dāng)涉及到多線程應(yīng)用程序時,沒有什么比處理信號量更令人恐懼和困惑的了。信號量是底層 BSD 機(jī)制,它可以用來傳遞信息給進(jìn)程或以某種方式操縱它。一些應(yīng)用程序使用信號量來檢測特定事件,比如子進(jìn)程的消亡。系統(tǒng)使用信號量來終止失控進(jìn)程,和作為其他類型的通信消息。
使用信號量的問題并不是你要做什么,而是當(dāng)你程序是多線程的時候它們的行為。在當(dāng)線程應(yīng)用程序里面,所有的信號量處理都在主線程進(jìn)行。在多線程應(yīng)用程序里面,信號量被傳遞到恰好運(yùn)行的線程,而不依賴于特定的硬件錯誤(比如非法指令)。如果多個線程同時運(yùn)行,信號量被傳遞到任何一個系統(tǒng)挑選的線程。換而言之,信號量可以傳遞給你應(yīng)用的任何線程。
在你應(yīng)用程序里面實(shí)現(xiàn)信號量處理的第一條規(guī)則是避免假設(shè)任一線程處理信號量。如果一個指定的線程想要處理給定的信號,你需要通過某些方法來通知該線程信號何時到達(dá)。你不能只是假設(shè)該線程的一個信號處理例程的安裝會導(dǎo)致信號被傳遞到同一線程里面。
關(guān)于更多信號量的信息和信號量處理例程的安裝信息,參見 signal 和 sigaction主頁。

四、線程安全設(shè)計的技巧

同步工具是讓你代碼安全的有用方法,但是它們并非靈丹妙藥。使用太多鎖和其他同步的類型原語和非多線程相比明顯會降低你應(yīng)用的線程性能。在性能和安全之間尋找平衡是一門需要經(jīng)驗(yàn)的藝術(shù)。以下各部分提供幫助你為你應(yīng)用選擇合適的同步級別的技巧。

• 完全避免同步
  對于你新的項(xiàng)目,甚至已有項(xiàng)目,設(shè)計你的代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來避免使用同步是一個很好的解決辦法。雖然鎖和其他類型同步工具很有用,但是它們會影響任何應(yīng)用的性能。而且如果整體設(shè)計導(dǎo)致特定資源的高競爭,你的線程可能需要等待更長時間。
  實(shí)現(xiàn)并發(fā)最好的方法是減少你并發(fā)任務(wù)之間的交互和相互依賴。如果每個任務(wù)在它自己的數(shù)據(jù)集上面操作,那它不需要使用鎖來保護(hù)這些數(shù)據(jù)。甚至如果兩個任務(wù)共享一個普通數(shù)據(jù)集,你可以查看分區(qū)方法,它們設(shè)置或提供拷貝每一項(xiàng)任務(wù)的方法。當(dāng)然,拷貝數(shù)據(jù)集本身也需要成本,所以在你做出決定前,你需要權(quán)衡這些成本和使用同步工具造成的成本那個更可以接受。
• 了解同步的限制
  同步工具只有當(dāng)它們被用在應(yīng)用程序中的所有線程是一致時才是有效的。如果你創(chuàng)建了互斥鎖來限制特定資源的訪問,你所有線程都必須在試圖操縱資源前獲得同一互斥鎖。如果不這樣做導(dǎo)致破壞一個互斥鎖提供的保護(hù),這是編程的錯誤。
• 注意對代碼正確性的威脅
  當(dāng)你使用鎖和內(nèi)存屏障時,你應(yīng)該總是小心的把它們放在你代碼正確的地方。即
  使有條件的鎖(似乎很好放置)也可能會讓你產(chǎn)生一個虛假的安全感。以下一系列例
  子試圖通過指出看似無害的代碼的漏洞來舉例說明該問題。其基本前提是你有一個可變的數(shù)組,它包含一組不可變的對象集。假設(shè)你想要調(diào)用數(shù)組中第一個對象的方法。你可能會做類似下面那樣的代碼:

NSLock* arrayLock = GetArrayLock();
NSMutableArray* myArray = GetSharedArray();
id anObject;
[arrayLock lock];
anObject = [myArray objectAtIndex:0];
[arrayLock unlock];
[anObject doSomething]

以上例子說明了想操作可變數(shù)組中的一個對象去做一些事情，當(dāng)我拿到這個對象之后如果有其他線程進(jìn)入到鎖中刪除了這個對象，那么就會出現(xiàn)問題，那么可能會像下面這樣修改代碼：

NSLock* arrayLock = GetArrayLock();
NSMutableArray* myArray = GetSharedArray();
id anObject;
[arrayLock lock];
anObject = [myArray objectAtIndex:0];
[anObject doSomething];
[arrayLock unlock];

這樣做也是不好的，因?yàn)槿绻?dosomething 的執(zhí)行時間很長的話就會產(chǎn)生性能瓶頸。所以最好的辦法是這樣：

NSLock* arrayLock = GetArrayLock();
NSMutableArray* myArray = GetSharedArray();
id anObject;
[arrayLock lock];
anObject = [myArray objectAtIndex:0];
[anObject retain];
[arrayLock unlock];
[anObject doSomething];
[anObject release];

• 當(dāng)心死鎖和活鎖
  任何時候線程試圖同時獲得多于一個鎖,都有可能引發(fā)潛在的死鎖。當(dāng)兩個不同的線程分別保持一個鎖(而該鎖是另外一個線程需要的)又試圖獲得另外線程保持的鎖時就會發(fā)生死鎖。結(jié)果是每個線程都會進(jìn)入持久性阻塞狀態(tài),因?yàn)樗肋h(yuǎn)不可能獲得另外那個鎖。
  一個活鎖和死鎖類似,當(dāng)兩個線程競爭同一個資源的時候就可能發(fā)生活鎖。在發(fā)生活鎖的情況里,一個線程放棄它的第一個鎖并試圖獲得第二個鎖。一旦它獲得第二個鎖,它返回并試圖再次獲得一個鎖。線程就會被鎖起來,因?yàn)樗ㄙM(fèi)所有的時間來釋放一個鎖,并試圖獲取其他鎖,而不做實(shí)際的工作。
  避免死鎖和活鎖的最好方法是同一個時間只擁有一個鎖。如果你必須在同一時間獲取多于一個鎖,你應(yīng)該確保其他線程沒有做類似的事情。
• 正確使用 Volatile 變量
  如果你已經(jīng)使用了一個互斥鎖來保護(hù)一個代碼段,不要自動假設(shè)你需要使用關(guān)鍵詞 volatile 來保護(hù)該代碼段的重要的變量。一個互斥鎖包含了內(nèi)存屏障來確保加載和存儲操作是按照正確順序的。在一個臨界區(qū)添加關(guān)鍵字 volatile 到變量上面會強(qiáng)制每次訪問該變量的時候都要從內(nèi)存里面從加載。這兩種同步技巧的組合使用在一些特定區(qū)域是必須的,但是同樣會導(dǎo)致顯著的性能損失。如果單獨(dú)使用互斥鎖已經(jīng)可以保護(hù)變量,那么忽略關(guān)鍵字 volatile。
  為了避免使用互斥鎖而不使用 volatile 變量同樣很重要。通常情況下,互斥鎖和其他同步機(jī)制是比 volatile 變量更好的方式來保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性。關(guān)鍵字volatile 只是確保從內(nèi)存加載變量而不是使用寄存器里面的變量。它不保證你代碼訪問變量是正確的。

五、使用原子操作

非阻塞同步的方式是用來執(zhí)行某些類型的操作而避免擴(kuò)展使用鎖。盡管鎖是同步兩個線程的很好方式,獲取一個鎖是一個很昂貴的操作,即使在無競爭的狀態(tài)下。相比,許多原子操作花費(fèi)很少的時間來完成操作也可以達(dá)到和鎖一樣的效果。
原子操作可以讓你在 32 位或 64 位的處理器上面執(zhí)行簡單的數(shù)學(xué)和邏輯的運(yùn)算操作。這些操作依賴于特定的硬件設(shè)施(和可選的內(nèi)存屏障)來保證給定的操作在影響內(nèi)存再次訪問的時候已經(jīng)完成。在多線程情況下,你應(yīng)該總是使用原子操作,它和內(nèi)存屏障組合使用來保證多個線程間正確的同步內(nèi)存。

原子操作.png

六、使用鎖

鎖是線程編程同步工具的基礎(chǔ)。鎖可以讓你很容易保護(hù)代碼中一大塊區(qū)域以便你可以確保代碼的正確性。Mac OS X 和 iOS 都位所有類型的應(yīng)用程序提供了互斥鎖,而 Foundation 框架定義一些特殊情況下互斥鎖的額外變種。以下個部分顯式了如何使用這些鎖的類型。

• 使用 POSIX 互斥鎖
  POSIX 互斥鎖在很多程序里面很容易使用。為了新建一個互斥鎖,你聲明并初始化一個 pthread_mutex_t 的結(jié)構(gòu)。為了鎖住和解鎖一個互斥鎖,你可以使用pthread_mutex_lock 和 pthread_mutex_unlock 函數(shù)。列表 4-2 顯式了要初始化并使用一個 POSIX 線程的互斥鎖的基礎(chǔ)代碼。當(dāng)你用完一個鎖之后,只要簡單的調(diào)用pthread_mutex_destroy 來釋放該鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

pthread_mutex_t mutex;
void MyInitFunction()
{
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
}
void MyLockingFunction()
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
// Do work.
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

注意:上面的代碼只是簡單的顯式了使用一個 POSIX 線程互斥鎖的步驟。你自己的代碼應(yīng)該檢查這些函數(shù)返回的錯誤碼,并適當(dāng)?shù)奶幚硭鼈儭?/em>

BOOL moreToDo = YES;
NSLock *theLock = [[NSLock alloc] init];
...
while (moreToDo) {
/* Do another increment of calculation */
/* until there’s no more to do. */
if ([theLock tryLock]) {
/* Update display used by all threads. */
[theLock unlock];
}
}

- (void)myMethod:(id)anObj
{
@synchronized(anObj)
{
// Everything between the braces is protected by the @synchronized directive.
}
}

NSRecursiveLock *theLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
void MyRecursiveFunction(int value)
{
[theLock lock];
if (value != 0)
{
--value;
MyRecursiveFunction(value);
}
    [theLock unlock];
}
MyRecursiveFunction(5);

id condLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:NO_DATA];
while(true)
{
[condLock lock];
/* Add data to the queue. */
[condLock unlockWithCondition:HAS_DATA];

while (true)
{
[condLock lockWhenCondition:HAS_DATA];
/* Remove data from the queue. */
[condLock unlockWithCondition:(isEmpty ? NO_DATA : HAS_DATA)];
// Process the data locally.

-  使用 NSDistributedLock 對象

[cocoaCondition lock];
while (timeToDoWork <= 0)
[cocoaCondition wait];
timeToDoWork--;
// Do real work here.
[cocoaCondition unlock];

[cocoaCondition lock];
timeToDoWork++;
[cocoaCondition signal];
[cocoaCondition unlock];

- 使用 POSIX 條件

//創(chuàng)建互斥鎖
pthread_mutex_t mutex;
//創(chuàng)建條件
pthread_cond_t condition;
Boolean ready_to_go = true;
void MyCondInitFunction()
{
//初始化互斥鎖
pthread_mutex_init(&mutex);
//初始化條件
pthread_cond_init(&condition, NULL);
}
void MyWaitOnConditionFunction()
{
//鎖住互斥鎖
pthread_mutex_lock(&mutex);
//如果斷言已經(jīng)被設(shè)置，那么就繞過 while 循環(huán)，如果沒有，線程會一直休眠知道斷言被設(shè)置。
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()
{
//在這里,應(yīng)該有其他線程的工作要做。
pthread_mutex_lock(&mutex);
ready_to_go = true;
//通知其他線程開始工作
pthread_cond_signal(&condition);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}