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关于iOS中的13种加锁方案

本文首发于个人博客

前言

iOS中有很多锁,那么平时使用过程中到底怎么使用呢?本文分享13种加锁方案。本文较长总共一万字。文中代码在github上。

  • OSSpinLock自旋锁
  • os_unfair_lock互斥锁
  • pthread_mutex递归锁
  • pthread_mutex条件锁
  • dispatch_semaphore信号量
  • dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
  • NSLock
  • NSRecursiveLock
  • NSCondition
  • NSConditionLock
  • @synchronized
  • dispatch_barrier_async栅栏
  • dispatch_group调度组

性能对比:借用ibireme大神的一张图片

可以看到除了 OSSpinLock 外,dispatch_semaphorepthread_mutex 性能是最高的。现在苹果在新系统中已经优化了 pthread_mutex的性能,所以它看上去和 OSSpinLock 差距并没有那么大了

GNUstep是GNU计划的项目之一,它将Cocoa的OC库重新开源实现了一遍

GNUstep源码地址

虽然GNUstep不是苹果官方源码,但还是具有一定的参考价值

自旋锁

wikipedia中关于自旋锁的描述

自旋锁是计算机科学用于多线程同步的一种锁,线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行,因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁,线程会一直保持该锁,直至显式释放自旋锁。

自旋锁避免了进程上下文的调度开销,因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的。因此操作系统的实现在很多地方往往用自旋锁。Windows操作系统提供的轻型读写锁(SRW Lock)内部就用了自旋锁。显然,单核CPU不适于使用自旋锁,这里的单核CPU指的是单核单线程的CPU,因为,在同一时间只有一个线程是处在运行状态,假设运行线程A发现无法获取锁,只能等待解锁,但因为A自身不挂起,所以那个持有锁的线程B没有办法进入运行状态,只能等到操作系统分给A的时间片用完,才能有机会被调度。这种情况下使用自旋锁的代价很高。

互斥锁

wikipedia中关于互斥锁的描述

互斥锁(英语:Mutual exclusion,缩写 Mutex)是一种用于多线程编程中,防止两条线程同时对同一公共资源(比如全局变量)进行读写的机制。该目的通过将代码切片成一个一个的临界区域(critical section)达成。临界区域指的是一块对公共资源进行访问的代码,并非一种机制或是算法。一个程序、进程、线程可以拥有多个临界区域,但是并不一定会应用互斥锁。

需要此机制的资源的例子有:旗标、队列、计数器、中断处理程序等用于在多条并行运行的代码间传递数据、同步状态等的资源。维护这些资源的同步、一致和完整是很困难的,因为一条线程可能在任何一个时刻被暂停(休眠)或者恢复(唤醒)。

例如:一段代码(甲)正在分步修改一块数据。这时,另一条线程(乙)由于一些原因被唤醒。如果乙此时去读取甲正在修改的数据,而甲碰巧还没有完成整个修改过程,这个时候这块数据的状态就处在极大的不确定状态中,读取到的数据当然也是有问题的。更严重的情况是乙也往这块地方写数据,这样的一来,后果将变得不可收拾。因此,多个线程间共享的数据必须被保护。达到这个目的的方法,就是确保同一时间只有一个临界区域处于运行状态,而其他的临界区域,无论是读是写,都必须被挂起并且不能获得运行机会。

读写锁

wikipedia中关于互斥锁的描述

读写锁是计算机程序的并发控制的一种同步机制,也称“共享-互斥锁”、多读者-单写者锁。多读者锁,“push lock”) 用于解决读写问题。读操作可并发重入,写操作是互斥的。

读写锁通常用互斥锁、条件变量、信号量实现。

读写锁可以有不同的操作模式优先级:

  • 读操作优先:允许最大并发,但写操作可能饿死。
  • 写操作优先:一旦所有已经开始的读操作完成,等待的写操作立即获得锁。内部实现需要两把互斥锁。
  • 未指定优先级

信号量

wikipedia中关于信号量的描述

信号量(英语:semaphore)又称为信号标,是一个同步对象,用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待(wait)时,该计数值减一;当线程完成一次对semaphore对象的释放(release)时,计数值加一。当计数值为0,则线程等待该semaphore对象不再能成功直至该semaphore对象变成signaled状态。semaphore对象的计数值大于0,为signaled状态;计数值等于0,为nonsignaled状态.

semaphore对象适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源,是一种不需要使用忙碌等待(busy waiting)的方法。

信号量的概念是由荷兰计算机科学家艾兹赫尔·戴克斯特拉(Edsger W. Dijkstra)发明的,广泛的应用于不同的操作系统中。在系统中,给予每一个进程一个信号量,代表每个进程当前的状态,未得到控制权的进程会在特定地方被强迫停下来,等待可以继续进行的信号到来。如果信号量是一个任意的整数,通常被称为计数信号量(Counting semaphore),或一般信号量(general semaphore);如果信号量只有二进制的0或1,称为二进制信号量(binary semaphore)。在linux系统中,二进制信号量(binary semaphore)又称互斥锁(Mutex)

场景

使用经典的存钱-取钱案例。假设我们账号里面有100元,每次存钱都存10元,每次取钱都取20元。存5次,取5次。那么就是应该最终剩下50元才对。如果我们把存在和取钱在不同的线程中访问的时候,如果不加锁,就很可能导致问题。

/**
 存钱、取钱演示
 */
- (void)moneyTest
{
    self.money = 100;
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self __saveMoney];
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self __drawMoney];
        }
    });
}

/**
 存钱
 */
- (void)__saveMoney
{
    int oldMoney = self.money;
    sleep(.2);
    oldMoney += 10;
    self.money = oldMoney;
    
    NSLog(@"存10元,还剩%d元 - %@", oldMoney, [NSThread currentThread]);
}

/**
 取钱
 */
- (void)__drawMoney
{
    int oldMoney = self.money;
    sleep(.2);
    oldMoney -= 20;
    self.money = oldMoney;
    
    NSLog(@"取20元,还剩%d元 - %@", oldMoney, [NSThread currentThread]);
}

复制代码

输出结果为

iOS-LockDemo[21005:249636] 存10元,还剩110元 - <NSThread: 0x600001b4f540>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249637] 取20元,还剩80元 - <NSThread: 0x600001b79840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249636] 存10元,还剩120元 - <NSThread: 0x600001b4f540>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249636] 存10元,还剩110元 - <NSThread: 0x600001b4f540>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249637] 取20元,还剩100元 - <NSThread: 0x600001b79840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249637] 取20元,还剩90元 - <NSThread: 0x600001b79840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249636] 存10元,还剩100元 - <NSThread: 0x600001b4f540>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249637] 取20元,还剩80元 - <NSThread: 0x600001b79840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249636] 存10元,还剩90元 - <NSThread: 0x600001b4f540>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[21005:249637] 取20元,还剩70元 - <NSThread: 0x600001b79840>{number = 3, name = (null)}
复制代码

从结果上来看,明显不是预期的那样

这是因为,正常情况下,来存钱取消,存10元之后,还剩下110元,然后取钱20元,剩余90元没问题。但是我们是不同线程同时操作的时候,可能导致的情况是,正在存钱的是,来取钱了。也就是10元还没存进去,就去取钱。取钱之后先去获取当前的钱数,因为10元正在存呢,还没存完,取钱的时候,当前是100元,然后取出20元的过程中,刚才的10元存进去了,然后20元也取出来了。给出结果是100-20 = 80 元,然后实际上应该 100+10-20 = 90 元。这样的话,就导致了数据的紊乱。

如何解决:

解决这种问题,就需要线程锁了。当存钱的时候,先去加锁,然后存完了,再放开锁。取钱也是一样,这样就保证数据的一致性。

OSSpinLock自旋锁

  • OSSpinLock叫做”自旋锁”,等待锁的线程会处于忙等(busy-wait)状态,一直占用着CPU资源
  • 目前已经不再安全,可能会出现优先级反转问题
  • 需要导入头文件#import <libkern/OSAtomic.h>

使用

// 初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
//尝试加锁(如果不需要等待,就直接加锁,返回true。如果需要等待,就不加锁,返回false)
BOOL res = OSSpinLockTry(lock);
//加锁
OSSpinLockLock(lock);
//解锁
OSSpinLockUnlock(lock);
复制代码

YZOSSpinLock继承YZBaseLock,在每次存钱,取钱之前进行加锁,在每次存钱,取钱之后进行解锁。

#import "YZOSSpinLock.h"
#import <libkern/OSAtomic.h>

@interface YZOSSpinLock()
@property (assign, nonatomic) OSSpinLock moneyLock;
@end

@implementation YZOSSpinLock

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        self.moneyLock = OS_SPINLOCK_INIT;
    }
    return self;
}

- (void)__drawMoney
{
    OSSpinLockLock(&_moneyLock);
    
    [super __drawMoney];
    
    OSSpinLockUnlock(&_moneyLock);
}

- (void)__saveMoney
{
    OSSpinLockLock(&_moneyLock);
    
    [super __saveMoney];
    
    OSSpinLockUnlock(&_moneyLock);
}


@end
复制代码

输出结果为

iOS-LockDemo[22496:265962] 取20元,还剩80元 - <NSThread: 0x600003add800>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265962] 取20元,还剩60元 - <NSThread: 0x600003add800>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265962] 取20元,还剩40元 - <NSThread: 0x600003add800>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265962] 取20元,还剩20元 - <NSThread: 0x600003add800>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265962] 取20元,还剩0元 - <NSThread: 0x600003add800>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265961] 存10元,还剩10元 - <NSThread: 0x600003aecd00>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265961] 存10元,还剩20元 - <NSThread: 0x600003aecd00>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265961] 存10元,还剩30元 - <NSThread: 0x600003aecd00>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265961] 存10元,还剩40元 - <NSThread: 0x600003aecd00>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[22496:265961] 存10元,还剩50元 - <NSThread: 0x600003aecd00>{number = 4, name = (null)}
复制代码

由输出可知,能保证线程安全,数据没有错乱。但是OSSpinLock已经不再安全了。

汇编跟踪

在加锁的地方打断点,第二次进来的是,已经加锁了,这时候看加锁的汇编代码

Debug->Debug Worlflow->Always Show Disassembly

为什么OSSpinLock不再安全

关于为什么OSSpinLock不再安全可以参考这篇文章不再安全的 OSSpinLock

这里摘要主要内容

如果一个低优先级的线程获得锁并访问共享资源,这时一个高优先级的线程也尝试获得这个锁,它会处于 spin lock 的忙等状态从而占用大量 CPU。此时低优先级线程无法与高优先级线程争夺 CPU 时间,从而导致任务迟迟完不成、无法释放 lock,这就是优先级反转。这并不只是理论上的问题,开发者已经遇到很多次这个问题,于是苹果工程师停用了 OSSpinLock。

结论

  • 除非开发者能保证访问锁的线程全部都处于同一优先级,否则 iOS 系统中所有类型的自旋锁都不能再使用了。

os_unfair_lock互斥锁

os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ,从iOS10开始才支持 从底层调用看,等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态,并非忙等

需要导入头文件#import <os/lock.h>

使用

// 初始化
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
//尝试加锁(如果不需要等待,就直接加锁,返回true。如果需要等待,就不加锁,返回false)
BOOL res = os_unfair_lock_trylock(&lock);
//加锁
os_unfair_lock_lock(&lock);
//解锁
os_unfair_lock_unlock(&lock);
复制代码

YZUnfairLock继承YZBaseLock,在每次存钱,取钱之前进行加锁,在每次存钱,取钱之后进行解锁。


#import "YZUnfairLock.h"
#import <os/lock.h>

@interface YZUnfairLock()
@property (nonatomic ,assign) os_unfair_lock moneyLock;

@end

@implementation YZUnfairLock
- (instancetype)init
{
    
    if (self = [super init]) {
        self.moneyLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
    }
    return self;
}

- (void)__saveMoney
{
    os_unfair_lock_lock(&_moneyLock);
    
    [super __saveMoney];
    
    os_unfair_lock_unlock(&_moneyLock);
}

- (void)__drawMoney
{
    os_unfair_lock_lock(&_moneyLock);
    
    [super __drawMoney];
    
    os_unfair_lock_unlock(&_moneyLock);
}

@end
复制代码

汇编跟踪

在加锁的地方打断点,第二次进来的是,已经加锁了,这时候看加锁的汇编代码

Debug->Debug Worlflow->Always Show Disassembly

断点跟踪进去,会发现最终到syscall的时候,断点失效了。这是因为syscall调用了系统内核的函数,使得线程进入休眠状态,不再占用CPU资源。所以可以看出os_unfair_lock是互斥锁。

pthread_mutex互斥锁

  • mutex叫做”互斥锁”,等待锁的线程会处于休眠状态
  • 需要导入头文件#import <pthread.h>

使用

// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
复制代码

其中锁的类型有四种

#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL		0   //一般的锁
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK	1	// 错误检查
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE		2  //递归锁
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT		PTHREAD_MUTEX_NORMAL  //默认
复制代码

当类型是PTHREAD_MUTEX_DEFAULT的时候,相当于null

例如上面的使用可以直接等价于

 pthread_mutex_init(mutex, NULL); //传空,相当于PTHREAD_MUTEX_DEFAULT
复制代码

YZMutexLock继承YZBaseLock,在每次存钱,取钱之前进行加锁,在每次存钱,取钱之后进行解锁。

#import "YZMutexLock.h"
#import <pthread.h>

@interface YZMutexLock()
@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t moneyMutexLock;

@end

@implementation YZMutexLock

/**
 初始化锁

 @param mutex 锁
 */
- (void)__initMutexLock:(pthread_mutex_t *)mutex{
    // 静态初始化
    //            pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    
    // 初始化属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_init(mutex, &attr);
    // 销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
    
	// 上面五行相当于下面一行
    //pthread_mutex_init(mutex, NULL); //传空,相当于PTHREAD_MUTEX_DEFAULT
}


- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        [self __initMutexLock:&_moneyMutexLock];
    }
    return self;
}
- (void)__saveMoney
{
    pthread_mutex_lock(&_moneyMutexLock);
    
    [super __saveMoney];
    
     pthread_mutex_unlock(&_moneyMutexLock);
}

- (void)__drawMoney
{
     pthread_mutex_lock(&_moneyMutexLock);
    
    [super __drawMoney];
    
     pthread_mutex_unlock(&_moneyMutexLock);
}
- (void)dealloc
{
    //delloc时候,需要销毁锁
    pthread_mutex_destroy(&_moneyMutexLock);
}
@end
复制代码

看到输出也是没问题的。线程是安全的。

iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩110元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩120元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩130元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩110元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩90元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩70元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩50元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩30元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩40元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩50元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}

复制代码

pthread_mutex递归锁

  • mutex除了有”互斥锁”,还有递归锁
  • 需要导入头文件#import <pthread.h>

使用

// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
复制代码

其中锁的类型有四种

#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL		0   //一般的锁
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK	1	// 错误检查
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE		2  //递归锁
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT		PTHREAD_MUTEX_NORMAL  //默认
复制代码

eg:

YZMutexRecursiveLock继承YZBaseLockotherTest里面进行递归加锁

#import "YZMutexRecursiveLock.h"
#import <pthread.h>

@interface YZMutexRecursiveLock()
@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t MutexLock;

@end

@implementation YZMutexRecursiveLock

/**
 初始化锁
 
 @param mutex 锁
 */
- (void)__initMutexLock:(pthread_mutex_t *)mutex{
    // 递归锁:允许同一个线程对一把锁进行重复加锁
    
    // 初始化属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_init(mutex, &attr);
    // 销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);

    
}

- (void)otherTest{
    // 第一次进来直接加锁,第二次进来,已经加锁了。还能递归继续加锁
    pthread_mutex_lock(&_MutexLock);
    NSLog(@"加锁 %s",__func__);
    static int count = 0;
    if (count < 5) {
        count++;
        [self otherTest];
    }
     NSLog(@"解锁 %s",__func__);
    pthread_mutex_unlock(&_MutexLock);
    
}
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        [self __initMutexLock:&_MutexLock];
    }
    return self;
}

- (void)dealloc
{
    //delloc时候,需要销毁锁
    pthread_mutex_destroy(&_MutexLock);
}
@end
复制代码

调用的时候

YZBaseLock *lock = [[YZMutexRecursiveLock alloc] init];
[lock otherTest];
复制代码

输出结果为:

iOS-LockDemo[7358:129676] 加锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 加锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 加锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 加锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 加锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 加锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 解锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 解锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 解锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 解锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 解锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
iOS-LockDemo[7358:129676] 解锁 -[YZMutexRecursiveLock otherTest]
复制代码

由结果可知,连续加锁五次,是因为每次都递归加锁。然后解锁时候,层层解锁。

pthread_mutex条件锁

  • mutex除了有"互斥锁","递归锁",还有递归锁
  • 需要导入头文件#import <pthread.h>

使用

生产者消费者

为了演示条件锁的作用,就用生产者消费者来展示效果,关于生产者消费者的设计模式,可以看我之前的文章iOS设计模式之(二)生产者-消费者,那篇文章中用的是信号量实现的。这篇文章用pthread_mutex条件锁来实现。

代码

有三个属性

@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t mutex; // 锁
@property (assign, nonatomic) pthread_cond_t cond; //条件
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *data; //数据源

复制代码

初始化

// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(&_mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
        
// 初始化条件
pthread_cond_init(&_cond, NULL);
        
self.data = [NSMutableArray array];
复制代码

eg:

YZMutexCondLock继承YZBaseLockotherTest里面进行测试

//
//  YZMutexCondLock.m
//  iOS-LockDemo
//
//  Created by eagle on 2018/8/13.
//  Copyright © 2018 yongzhen. All rights reserved.
//

#import "YZMutexCondLock.h"
#import <pthread.h>

@interface YZMutexCondLock()
@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t mutex; // 锁
@property (assign, nonatomic) pthread_cond_t cond; //条件
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *data; //数据源
@end

@implementation YZMutexCondLock
- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        // 初始化属性
        pthread_mutexattr_t attr;
        pthread_mutexattr_init(&attr);
        pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
        // 初始化锁
        pthread_mutex_init(&_mutex, &attr);
        // 销毁属性
        pthread_mutexattr_destroy(&attr);
        
        // 初始化条件
        pthread_cond_init(&_cond, NULL);
        
        self.data = [NSMutableArray array];
    }
    return self;
}

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


// 生产者-消费者模式

// 线程1
// 删除数组中的元素
- (void)__remove
{
    pthread_mutex_lock(&_mutex);
    
    
    if (self.data.count == 0) {
        // 数据为空就等待(进入休眠,放开mutex锁,被唤醒后,会再次对mutex加锁)
        NSLog(@"__remove - 等待");
        pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
    }
    
    [self.data removeLastObject];
    NSLog(@"删除了元素");
    
    pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

// 线程2
// 往数组中添加元素
- (void)__add
{
    pthread_mutex_lock(&_mutex);
    
    sleep(1);
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    NSLog(@"添加了元素");
    
    // 激活一个等待该条件的线程
    pthread_cond_signal(&_cond);
    // 激活所有等待该条件的线程
    //    pthread_cond_broadcast(&_cond);
    
    pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

- (void)dealloc
{
    pthread_mutex_destroy(&_mutex);
    pthread_cond_destroy(&_cond);
}


@end

复制代码

调用的时候

YZBaseLock *lock = [[YZMutexCondLock alloc] init];
[lock otherTest];
复制代码

输出结果为:

2018-08-13 17:09:31.643902+0800 iOS-LockDemo[26733:229374] __remove - 等待
2018-08-13 17:09:32.648587+0800 iOS-LockDemo[26733:229375] 添加了元素
2018-08-13 17:09:32.648894+0800 iOS-LockDemo[26733:229374] 删除了元素
复制代码

由结果可知,打印完__remove - 等待之后,等待了一秒钟,添加元素之后,放开锁,才去删除元素。

NSLock锁

  • NSLock是对mutex普通锁的封装

api

NSLocking协议有加锁lock和解锁unlock

@protocol NSLocking

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

@end
复制代码

NSLock准守这个协议,锁可以直接使用,另外,还有tryLocklockBeforeDate

- (void)lock; //加锁
- (void)unlock; //解锁
- (BOOL)tryLock; //尝试加锁,如果加锁失败,就返回NO,加锁成功就返回YES
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit; //在给定的时间内尝试加锁,加锁成功就返回YES,如果过了时间还没加上锁,就返回NO。
复制代码

使用

YZNSLock继承YZBaseLock,在每次存钱,取钱之前进行加锁,在每次存钱,取钱之后进行解锁。

#import "YZNSLock.h"

@interface YZNSLock()
@property (nonatomic,strong) NSLock *lock;
@end


@implementation YZNSLock

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        self.lock =[[NSLock alloc] init];
    }
    return self;
}
- (void)__saveMoney
{
    [self.lock lock];
    [super __saveMoney];
    
    [self.lock unlock];
}

- (void)__drawMoney
{
    [self.lock lock];
    
    [super __drawMoney];
    
    [self.lock unlock];
}
- (void)dealloc
{
   
}


@end
复制代码

输出结果为

iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩110元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩120元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩130元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩110元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩120元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩100元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩80元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩60元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩40元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩50元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
复制代码

由输出可知,能保证线程安全,数据没有错乱。

NSLock是对mutex普通锁的封装

如果想证明NSLock是对mutex普通锁的封装有两种方式

  • 汇编分析
    • 汇编分析来说,可以打断点跟进去,最终会发现调用了mutex,因为,lock是调用的msgSend,汇编代码比较复杂,读者有兴趣可自行验证。
  • GNUstep
    • GNUstep源码的NSLock.m中如下代码
+ (void) initialize
{
  static BOOL	beenHere = NO;

  if (beenHere == NO)
    {
      beenHere = YES;
      pthread_mutexattr_init(&attr_normal);
      pthread_mutexattr_settype(&attr_normal, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
      pthread_mutexattr_init(&attr_reporting);
      pthread_mutexattr_settype(&attr_reporting, PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK);
      pthread_mutexattr_init(&attr_recursive);
      pthread_mutexattr_settype(&attr_recursive, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
      
      ... 其他代码
}
复制代码

NSRecursiveLock锁

  • NSRecursiveLock也是对mutex递归锁的封装,API跟NSLock基本一致

api

NSLocking协议有加锁lock和解锁unlock

@protocol NSLocking

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

@end
复制代码

NSRecursiveLock准守这个协议,可以直接使用,另外,还有tryLocklockBeforeDate

- (void)lock; //加锁
- (void)unlock; //解锁
- (BOOL)tryLock; //尝试加锁,如果加锁失败,就返回NO,加锁成功就返回YES
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit; //在给定的时间内尝试加锁,加锁成功就返回YES,如果过了时间还没加上锁,就返回NO。
复制代码

使用

YZNSRecursiveLock继承YZBaseLock,在每次存钱,取钱之前进行加锁,在每次存钱,取钱之后进行解锁。

#import "YZNSRecursiveLock.h"

@interface YZNSRecursiveLock()
@property (nonatomic,strong) NSRecursiveLock *lock;
@end


@implementation YZNSRecursiveLock

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        self.lock =[[NSRecursiveLock alloc] init];
    }
    return self;
}
- (void)__saveMoney
{
    [self.lock lock];
    [super __saveMoney];
    
    [self.lock unlock];
}

- (void)__drawMoney
{
    [self.lock lock];
    
    [super __drawMoney];
    
    [self.lock unlock];
}
- (void)dealloc
{
    
}
@end
复制代码

输出结果为

iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩110元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩120元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩130元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩110元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩120元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩100元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩80元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩60元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397287] 取20元,还剩40元 - <NSThread: 0x600000ae66c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[39175:397286] 存10元,还剩50元 - <NSThread: 0x600000af2740>{number = 3, name = (null)}
复制代码

由输出可知,能保证线程安全,数据没有错乱。

YZNSRecursiveLock是对mutex递归锁的封装

如果想证明NSRecursiveLock是对mutex普通锁的封装有两种方式

  • 汇编分析
    • 汇编分析来说,可以打断点跟进去,最终会发现调用了mutex,因为,lock是调用的msgSend,汇编代码比较复杂,读者有兴趣可自行验证。
  • GNUstep
    • GNUstep源码的NSLock.m中的NSRecursiveLock有如下代码
//NSRecursiveLock初始化
- (id) init
{
  if (nil != (self = [super init]))
    {
      if (0 != pthread_mutex_init(&_mutex, &attr_recursive))
	{
	  DESTROY(self);
	}
    }
  return self;
}

// attr_recursive初始化
pthread_mutexattr_init(&attr_recursive);
pthread_mutexattr_settype(&attr_recursive, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
      
复制代码

NSCondition条件锁

  • NSCondition是对mutex和cond的封装

使用

生产者消费者

同上面的YZMutexCondLock一样使用生产者消费者模式

api

- (void)wait; //等待
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit; //在给定时间之前等待
- (void)signal;   // 激活一个等待该条件的线程
- (void)broadcast;  // 激活所有等待该条件的线程

复制代码

代码

初始化

// 初始化属性
 self.condition = [[NSCondition alloc] init];
复制代码

eg:

YZNSCondition继承YZBaseLockotherTest里面进行测试

#import "YZNSCondition.h"

@interface YZNSCondition()
@property (strong, nonatomic) NSCondition *condition;
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *data;
@end

@implementation YZNSCondition

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        self.condition = [[NSCondition alloc] init];
        self.data = [NSMutableArray array];
    }
    return self;
}

- (void)otherTest
{
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__remove) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__add) object:nil] start];
}
// 生产者-消费者模式

// 线程1
// 删除数组中的元素
- (void)__remove
{
    [self.condition lock];
    
    
    if (self.data.count == 0) {
        // 数据为空就等待(进入休眠,放开锁,被唤醒后,会再次对mutex加锁)
        NSLog(@"__remove - 等待");
        [self.condition wait];
    }
    
    [self.data removeLastObject];
    NSLog(@"删除了元素");
    
    [self.condition unlock];
}

// 线程2
// 往数组中添加元素
- (void)__add
{
    [self.condition lock];
    
    sleep(1);
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    NSLog(@"添加了元素");
    
    // 激活一个等待该条件的线程
    [self.condition signal];
    // 激活所有等待该条件的线程
    //     [self.condition broadcast];
    
    [self.condition unlock];
}

@end

复制代码

调用的时候

YZBaseLock *lock = [[YZNSCondition alloc] init];
[lock otherTest];
复制代码

输出结果为:

2018-08-13 18:09:31.643902+0800 iOS-LockDemo[26733:229374] __remove - 等待
2018-08-13 18:09:32.648587+0800 iOS-LockDemo[26733:229375] 添加了元素
2018-08-13 18:09:32.648894+0800 iOS-LockDemo[26733:229374] 删除了元素
复制代码

由结果可知,打印完__remove - 等待之后,等待了一秒钟,添加元素之后,放开锁,才去删除元素。

NSConditionLock

NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装,可以设置具体的条件值

API

主要有如下几个API,顾名思义,一看名字就懂了。

- (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;

复制代码

使用

初始化

// 初始化属性
NSConditionLock *lock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:0];

//当条件为2的时候,加锁
[lock lockWhenCondition:2];

//当条件为3的时候,解锁
 [lock unlockWithCondition:3];

复制代码

eg:

YZNSConditionLock继承YZBaseLockotherTest里面进行测试

#import "YZNSConditionLock.h"

@interface YZNSConditionLock()
@end

@implementation YZNSConditionLock

- (void)otherTest
{
    //主线程中
    NSConditionLock *lock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:0];
    
    //线程1
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        [lock lockWhenCondition:2];
        NSLog(@"线程1");
        sleep(2);
        NSLog(@"线程1解锁成功");
        [lock unlockWithCondition:3];
    });
    
    //线程2
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        [lock lockWhenCondition:0];
        NSLog(@"线程2");
        sleep(3);
        NSLog(@"线程2解锁成功");
        [lock unlockWithCondition:1];
    });
    
    //线程3
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        [lock lockWhenCondition:3];
        NSLog(@"线程3");
        sleep(3);
        NSLog(@"线程3解锁成功");
        [lock unlockWithCondition:4];
    });
    
    //线程4
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        [lock lockWhenCondition:1];
        NSLog(@"线程4");
        sleep(2);
        NSLog(@"线程4解锁成功");
        [lock unlockWithCondition:2];
    });
    
}
@end

复制代码

调用的时候

YZBaseLock *lock = [[YZNSConditionLock alloc] init];
[lock otherTest];
复制代码

输出结果为:

2018-08-14 15:37:07.850783+0800 iOS-LockDemo[11810:143479] 线程2
2018-08-14 15:37:10.854390+0800 iOS-LockDemo[11810:143479] 线程2解锁成功
2018-08-14 15:37:10.854703+0800 iOS-LockDemo[11810:143478] 线程4
2018-08-14 15:37:12.856226+0800 iOS-LockDemo[11810:143478] 线程4解锁成功
2018-08-14 15:37:12.856487+0800 iOS-LockDemo[11810:143476] 线程1
2018-08-14 15:37:14.860596+0800 iOS-LockDemo[11810:143476] 线程1解锁成功
2018-08-14 15:37:14.860791+0800 iOS-LockDemo[11810:143477] 线程3
2018-08-14 15:37:17.864072+0800 iOS-LockDemo[11810:143477] 线程3解锁成功
复制代码

由结果可知,NSConditionLock完全能够通过条件值进行加锁解锁。

dispatch_semaphore信号量

  • semaphore叫做”信号量”
  • 信号量的初始值,可以用来控制线程并发访问的最大数量
  • 信号量的初始值为1,代表同时只允许1条线程访问资源,保证线程同步

关于信号量详细可以参考GCD信号量-dispatch_semaphore_t 以及对信号量实际应用,结合RunLoop做成卡顿监控的iOS使用RunLoop监控线上卡顿

信号量原理

dispatch_semaphore_create(long value); // 创建信号量
dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t deem); // 发送信号量
dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout); // 等待信号量

复制代码

dispatch_semaphore_create(long value)和GCD的group等用法一致,这个函数是创建一个dispatch_semaphore_类型的信号量,并且创建的时候需要指定信号量的大小。

dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout) 等待信号量。如果信号量值为0,那么该函数就会一直等待,也就是不返回(相当于阻塞当前线程),直到该函数等待的信号量的值大于等于1,该函数会对信号量的值进行减1操作,然后返回。

dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t deem) 发送信号量。该函数会对信号量的值进行加1操作。

通常等待信号量和发送信号量的函数是成对出现的。并发执行任务时候,在当前任务执行之前,用dispatch_semaphore_wait函数进行等待(阻塞),直到上一个任务执行完毕后且通过dispatch_semaphore_signal函数发送信号量(使信号量的值加1),dispatch_semaphore_wait函数收到信号量之后判断信号量的值大于等于1,会再对信号量的值减1,然后当前任务可以执行,执行完毕当前任务后,再通过dispatch_semaphore_signal函数发送信号量(使信号量的值加1),通知执行下一个任务......如此一来,通过信号量,就达到了并发队列中的任务同步执行的要求。

使用

先看加锁,解锁的使用,初始化先设置1,然后每次取钱,存钱之前,都调用dispatch_semaphore_wait,取钱,存钱之后调用dispatch_semaphore_signal

eg:

YZSemaphore继承YZBaseLockotherTest里面进行测试

#import "YZSemaphore.h"

@interface YZSemaphore()
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t moneySemaphore;
@end

@implementation YZSemaphore
- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        self.moneySemaphore = dispatch_semaphore_create(1);
    }
    return self;
}

- (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);
}
复制代码

外部调用的时候,

YZBaseLock *lock = [[YZSemaphore alloc] init];
[lock moneyTest];
复制代码

输出

iOS-LockDemo[13500:171371] 存10元,还剩110元 - <NSThread: 0x600001ca9840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171369] 取20元,还剩90元 - <NSThread: 0x600001c960c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171371] 存10元,还剩100元 - <NSThread: 0x600001ca9840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171369] 取20元,还剩80元 - <NSThread: 0x600001c960c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171371] 存10元,还剩90元 - <NSThread: 0x600001ca9840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171369] 取20元,还剩70元 - <NSThread: 0x600001c960c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171371] 存10元,还剩80元 - <NSThread: 0x600001ca9840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171369] 取20元,还剩60元 - <NSThread: 0x600001c960c0>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171371] 存10元,还剩70元 - <NSThread: 0x600001ca9840>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[13500:171369] 取20元,还剩50元 - <NSThread: 0x600001c960c0>{number = 4, name = (null)}
复制代码

有结果可知,能保证多线程数据的安全读写。

使用二

信号量还可以控制线程数量,例如初始化的时候,设置最多3条线程

#import "YZSemaphore.h"

@interface YZSemaphore()
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t semaphore;
@end

@implementation YZSemaphore
- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        self.semaphore = dispatch_semaphore_create(3);
    }
    return self;
}

- (void)otherTest
{
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(test) object:nil] start];
    }
}

// 线程10、7、6、9、8
- (void)test
{
    // 如果信号量的值 > 0,就让信号量的值减1,然后继续往下执行代码
    // 如果信号量的值 <= 0,就会休眠等待,直到信号量的值变成>0,就让信号量的值减1,然后继续往下执行代码
    dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    sleep(2);
    NSLog(@"test - %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 让信号量的值+1
    dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}

@end
复制代码

调用otherTest的输出结果为

2018-08-14 16:38:56.489121+0800 iOS-LockDemo[14002:180654] test - <NSThread: 0x600003a938c0>{number = 3, name = (null)}
2018-08-14 16:38:56.492100+0800 iOS-LockDemo[14002:180655] test - <NSThread: 0x600003a93900>{number = 4, name = (null)}
2018-08-14 16:38:56.492281+0800 iOS-LockDemo[14002:180656] test - <NSThread: 0x600003a93940>{number = 5, name = (null)}

2018-08-14 16:38:58.497578+0800 iOS-LockDemo[14002:180657] test - <NSThread: 0x600003a93980>{number = 6, name = (null)}
2018-08-14 16:38:58.499225+0800 iOS-LockDemo[14002:180658] test - <NSThread: 0x600003a8e640>{number = 7, name = (null)}
2018-08-14 16:38:58.549633+0800 iOS-LockDemo[14002:180659] test - <NSThread: 0x600003a93a00>{number = 8, name = (null)}

2018-08-14 16:39:00.499672+0800 iOS-LockDemo[14002:180660] test - <NSThread: 0x600003aa6cc0>{number = 9, name = (null)}
2018-08-14 16:39:00.499799+0800 iOS-LockDemo[14002:180661] test - <NSThread: 0x600003aa6ec0>{number = 10, name = (null)}
2018-08-14 16:39:00.550353+0800 iOS-LockDemo[14002:180662] test - <NSThread: 0x600003aa6d80>{number = 11, name = (null)}

2018-08-14 16:39:02.501379+0800 iOS-LockDemo[14002:180663] test - <NSThread: 0x600003aa6f00>{number = 12, name = (null)}
复制代码

由结果可知,每次最多三条线程执行。

synchronized

  • @synchronized是对mutex递归锁的封装
  • 源码查看:objc4中的objc-sync.mm文件
  • @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁,然后进行加锁、解锁操作

详细了解可以参考 关于 @synchronized,这儿比你想知道的还要多

使用

@synchronized 使用起来很简单

还使用前面的存钱取票的例子,类YZSynchronized继承自YZBaseLock,代码如下

#import "YZSynchronized.h"

@interface YZSynchronized()

@end

@implementation YZSynchronized
- (void)__saveMoney
{
    @synchronized (self) {
        [super __saveMoney];
    }
}

- (void)__drawMoney
{
    @synchronized (self) {
        [super __drawMoney];
    }
}
@end
复制代码

调用之后

iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩110元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩120元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩130元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩110元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩90元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩70元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩50元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45095] 取20元,还剩30元 - <NSThread: 0x600003e84880>{number = 4, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩40元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}
iOS-LockDemo[2573:45093] 存10元,还剩50元 - <NSThread: 0x600003ebbb80>{number = 3, name = (null)}

复制代码

可知,多线程的数据没有发生错乱

源码分析

runtime源码中的objc-sync.mm中可知

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

    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
        assert(data);
        data->mutex.lock();
    } else {
        // @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;
}


// End synchronizing on 'obj'. 
// Returns OBJC_SYNC_SUCCESS or OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR
int objc_sync_exit(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    
    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
        if (!data) {
            result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
        } else {
            bool okay = data->mutex.tryUnlock();
            if (!okay) {
                result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
            }
        }
    } else {
        // @synchronized(nil) does nothing
    }
	

    return result;
}
复制代码
typedef struct alignas(CacheLineSize) SyncData {
    struct SyncData* nextData;
    DisguisedPtr<objc_object> object;
    int32_t threadCount;  // number of THREADS using this block
    recursive_mutex_t mutex;
} SyncData;
复制代码

以及

using recursive_mutex_t = recursive_mutex_tt<LOCKDEBUG>;
复制代码

可知@synchronized是对mutex递归锁的封装。因为是递归锁,可以递归加锁,读者有兴趣自行验证。

pthread_rwlock读写锁

读写锁是计算机程序的并发控制的一种同步机制,也称“共享-互斥锁”、多读者-单写者锁。多读者锁,“push lock”) 用于解决读写问题。读操作可并发重入,写操作是互斥的。

  • 需要导入头文件#import <pthread.h>

使用

// 初始化锁
pthread_rwlock_t lock;
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
// 读-加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读-尝试加锁
pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);
// 写-加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写-尝试加锁
pthread_rwlock_trywrlock(&lock);
// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 销毁
pthread_rwlock_destroy(&lock);
复制代码

eg:

YZRwlock继承YZBaseLockotherTest里面进行测试,每次读,或者写的之前进行加锁,并sleep 1秒钟,之后解锁,如下所示

#import "YZRwlock.h"
#import <pthread.h>

@interface YZRwlock()
@property (assign, nonatomic) pthread_rwlock_t lock;

@end


@implementation YZRwlock

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        // 初始化锁
        pthread_rwlock_init(&_lock, NULL);
    }
    return self;
}

- (void)otherTest{
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            [self write];
            [self read];
        });
        
    }
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            [self write];
        });
    }
}

- (void)read {
    pthread_rwlock_rdlock(&_lock);
    
    sleep(1);
    NSLog(@"%s", __func__);
    
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}

- (void)write
{
    pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
    
    sleep(1);
    NSLog(@"%s", __func__);
    
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}

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

@end
复制代码

调用的时候

YZBaseLock *lock = [[YZRwlock alloc] init];
[lock otherTest];
复制代码

输出结果为:

2018-08-15 16:07:45.753659+0800 iOS-LockDemo[25457:248359] -[YZRwlock write]
2018-08-15 16:07:46.758460+0800 iOS-LockDemo[25457:248356] -[YZRwlock write]
2018-08-15 16:07:47.763705+0800 iOS-LockDemo[25457:248358] -[YZRwlock write]
2018-08-15 16:07:48.767980+0800 iOS-LockDemo[25457:248381] -[YZRwlock write]
2018-08-15 16:07:49.772241+0800 iOS-LockDemo[25457:248382] -[YZRwlock write]
2018-08-15 16:07:50.777547+0800 iOS-LockDemo[25457:248383] -[YZRwlock write]
2018-08-15 16:07:51.779544+0800 iOS-LockDemo[25457:248359] -[YZRwlock read]
2018-08-15 16:07:51.779544+0800 iOS-LockDemo[25457:248356] -[YZRwlock read]
2018-08-15 16:07:51.779546+0800 iOS-LockDemo[25457:248358] -[YZRwlock read]
复制代码

由结果可知,打印完write之后,方法每次都是一个一个执行的,而read是可以同时执行的,也就是说达到了多读单写的功能。被称为读写锁。

dispatch_barrier_async异步栅栏

  • 这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
  • 如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列,那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果

使用

// 初始化队列
self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

// 读
dispatch_async(self.queue, ^{
       
});
        
// 写
dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
       
});

复制代码

eg:

YZBarrier继承YZBaseLockotherTest里面进行测试

#import "YZBarrier.h"

@interface YZBarrier ()
@property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t queue;
@end
@implementation YZBarrier

- (void)otherTest{
    
    // 初始化队列
    self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        // 读
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
         // 写
        dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
            [self write];
        });
         // 读
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
         // 读
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
        
    }
}

- (void)read {
    sleep(1);
    NSLog(@"read");
}

- (void)write
{
    sleep(1);
    NSLog(@"write");
}
@end
复制代码

调用的时候

YZBaseLock *lock = [[YZBarrier alloc] init];
[lock otherTest];
复制代码

输出结果为:

2018-08-15 17:50:45.867990+0800 iOS-LockDemo[30046:324146] read
2018-08-15 17:50:46.871969+0800 iOS-LockDemo[30046:324146] write
2018-08-15 17:50:47.876419+0800 iOS-LockDemo[30046:324146] read
2018-08-15 17:50:47.876419+0800 iOS-LockDemo[30046:324148] read
2018-08-15 17:50:47.876450+0800 iOS-LockDemo[30046:324145] read
2018-08-15 17:50:48.880739+0800 iOS-LockDemo[30046:324145] write
2018-08-15 17:50:49.885434+0800 iOS-LockDemo[30046:324145] read
2018-08-15 17:50:49.885435+0800 iOS-LockDemo[30046:324146] read
2018-08-15 17:50:49.885442+0800 iOS-LockDemo[30046:324148] read
2018-08-15 17:50:50.889361+0800 iOS-LockDemo[30046:324148] write
2018-08-15 17:50:51.894104+0800 iOS-LockDemo[30046:324148] read
2018-08-15 17:50:51.894104+0800 iOS-LockDemo[30046:324146] read
复制代码

由结果可知,打印完write之后,方法每次都是一个一个执行的,而read是可以同时执行的,但是遇到写的操作,就会把其他读或者写都会暂停,也就是说起到了栅栏的作用。

dispatch_group_t调度组

前面说了这么多关于锁的使用,其实调度组也能达到类似栅栏的效果。

api

//1.创建调度组
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
//2.队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
//3.调度组监听队列 标记开始本次执行
dispatch_group_enter(group);
//标记本次请求完成
dispatch_group_leave(group);
          
//4,调度组都完成了
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
//执行刷新UI等操作
});

复制代码

eg:

YZDispatchGroup继承YZBaseLockotherTest里面进行测试,假设的场景是,需要在子线程下载两个图片,sleep()模拟耗时操作,都下载完成之后,回到主线程刷新UI.

#import "YZDispatchGroup.h"

@implementation YZDispatchGroup
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        
    }
    return self;
}

- (void)otherTest{
    
    //1.创建调度组
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    //2.队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
    //3.调度组监听队列 标记开始本次执行
    dispatch_group_enter(group);
    dispatch_async(queue, ^{
       [self downLoadImage1];
        //标记本次请求完成
          dispatch_group_leave(group);
    });
    

    //3.调度组监听队列 标记开始本次执行
    dispatch_group_enter(group);
    dispatch_async(queue, ^{
        [self downLoadImage2];
        //标记本次请求完成
        dispatch_group_leave(group);
    });
    
    //4,调度组都完成了
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        //执行完test1和test2之后,在进行请求test3
         [self reloadUI];
    });

}
- (void)downLoadImage1 {
    sleep(1);
    NSLog(@"%s--%@",__func__,[NSThread currentThread]);
}
- (void)downLoadImage2 {
     sleep(2);
    NSLog(@"%s--%@",__func__,[NSThread currentThread]);
}
- (void)reloadUI
{
    NSLog(@"%s--%@",__func__,[NSThread currentThread]);
}
@end
复制代码

调用的时候

YZBaseLock *lock = [[YZBarrier alloc] init];
[lock otherTest];
复制代码

输出结果为:

2018-08-15 19:08:35.651955+0800 iOS-LockDemo[3353:49583] -[YZDispatchGroup downLoadImage1]--<NSThread: 0x6000033ed380>{number = 3, name = (null)}
2018-08-15 19:08:36.648922+0800 iOS-LockDemo[3353:49584] -[YZDispatchGroup downLoadImage2]--<NSThread: 0x6000033e0000>{number = 4, name = (null)}
2018-08-15 19:08:36.649179+0800 iOS-LockDemo[3353:49521] -[YZDispatchGroup reloadUI]--<NSThread: 0x6000033865c0>{number = 1, name = main}

复制代码

由结果可知,子线程耗时操作,现在图片时候,主线程刷新UI不执行的,等两个图片都下载完成,才回到主线程刷新UI.

dispatch_group有两个需要注意的地方

  • dispatch_group_enter必须在dispatch_group_leave之前出现
  • dispatch_group_enter和dispatch_group_leave必须成对出现

自旋锁,互斥锁的选择

前面这么多锁,那么到底平时开发中怎么选择呢?其实主要参考如下标准来选择。

什么情况使用自旋锁比较划算?

  • 预计线程等待锁的时间很短
  • 加锁的代码(临界区)经常被调用,但竞争情况很少发生
  • CPU资源不紧张
  • 多核处理器

什么情况使用互斥锁比较划算?

  • 预计线程等待锁的时间较长
  • 单核处理器
  • 临界区有IO操作
  • 临界区代码复杂或者循环量大
  • 临界区竞争非常激烈

参考资料

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OSSpinLock Is Unsafe

不再安全的 OSSpinLock

GNUstep源码地址

Runtime源码

iOS底层原理

关于 @synchronized,这儿比你想知道的还要多

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