iOS 线程同步

多线程相关的概念

• 时间片轮转调度算法：是目前操作系统中大量使用的线程管理方式，大致就是操作系统会给每个线程分配一段时间片（通常 100 ms 左右），这些线程都被放在一个队列中，CPU 只需要维护这个队列，当队首的线程时间片耗尽就会被强制放到队尾等待，然后提取下一个队首线程执行
• 原子操作：“原子”一般指最小粒度，不可分割；原子操作也就是不可分割，不可中断的操作
• 临界区 ：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）（临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源）。每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问
• 忙等（busy-waiting）： 试图进入临界区的线程，占着 CPU 而不释放的状态
• 睡眠（sleep-waiting）：试图进入临界区的线程，会进入睡眠状态，主动让出时间片，不会再占着 CPU 而不释放
• 上下文切换（Context Switch）：当线程进入睡眠（sleep-waiting）的时候，cpu的核心会进行上下文切换，将该线程置于等待队列中，而其他线程就会继续执行任务，上下文切换需要花费时间
• 锁的拥有者（Lock Ownership）：如果锁没有拥有者，则当它被某一条线程获取时，其他任意一条线程都可以对它进行解锁；如果锁只能有单一的拥有者，则当它被某一条线程获取时，只有这条线程可以对它进行解锁；如果锁可以有多个拥有者，则它可以同时被某多条线程获取
• 死锁：指两个或两个以上的进程（线程）在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局（Deadly-Embrace) ) ，若无外力作用，这些进程（线程）都将无法向前推进。一般在获得锁的线程中再次进行加锁就会发生死锁
• 饥饿（Starvation）：指一个进程一直得不到资源

线程同步方案

要保证线程安全，就必须要线程同步，而在iOS中线程同步的方案有：

• 原子操作
• 信号量
• GCD串行队列
• 锁

原子操作

在 iOS 中，原子操作可以保证属性在单独的 setter 或者 getter 方法中是线程安全的，但是不能保证多个线程对同一个属性进行读写操作时，可以得到预期的值，也就是原子操作不保证线程安全，例如：

// 共享资源name
@property (copy, atomic) NSString *name;
// 初始化
self.name = @"A";

// 线程2进行写操作，是原子操作，不可以分割的
self.name = @"B";

// 线程3进行写操作，是原子操作，不可以分割的
self.name = @"C";

// 线程4进行读操作，是原子操作，不可以分割的，但这时候存在三种可能
self.name == @"A";
self.name == @"B";
self.name == @"C";

Objective-C 的原子操作

在 Objective-C 中，可以在设置属性的时候，使用 atomic 来设置原子属性，保证属性 setter、getter 的原子性操作，底层是在 getter 和 setter 内部使用 os_unfair_lock 加锁

@property (copy, atomic) NSString *name;

Swift 的原子操作

在 Swift 中，原生没有提供原子操作，可以使用 DispatchQueue 的同步函数来达到同样的效果

class Person {
  // 创建一个队列
  let queue = DispatchQueue(label: "Person")

  // 私有化需要原子操作的属性
  private var _name: String = ""

  // 向外界暴露的属性，把它的 get 和 set 方法都设置为同步操作，实际上是对 _name 进行操作，这样就可以间接的对 name 进行原子操作
  var name: String {
      get {
          return queue.sync {
              _name
          }
      }
      set {
          return queue.sync {
              _name = newValue
          }
      }
  }
}

信号量（Semaphore）

• 信号量（semaphore）是非负整型变量，在初始化时设置一个值 value，用来控制线程并发访问的最大数量，当 value == 1 的时候，就可以实现线程同步
• 信号量有两个原子操作：wait()、 signal()
  • wait()：当 value > 0，就将 value 减 1 并马上返回；当 value == 0，那当前线程就会睡眠，直到其他线程调用 signal() 把 value 加 1，当前线程恢复，然后将 value 减 1 并返回
  • signal() ：将 value 加 1
  • 如果初始化的时候 value 为 0， 那么调用 wait() 方法就会马上挂起当前线程，直到别的线程调用了 signal() 方法，才会恢复
• 被阻塞线程会进入睡眠状态
• 信号量不支持递归
• 信号量没有拥有者(Owner)，意味着可以在一条线程进行 wait() 操作，在另外一条线程进行 signal() 操作
• 在 iOS 中用 dispatch_semaphore 来使用信号量，也是 GCD 用来同步的一种方式

// 初始化一个值为 5 的信号量，可以同时有 5 条线程访问临界区，其他线程则进入睡眠状态
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(5);


// wait
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

// 临界区...

// signal
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

GCD串行队列

• 使用 GCD 串行队列也可以达到同步的效果，配合 sync 函数就是在当前线程执行任务
• GCD 串行队列有单一的拥有者，就是一个串行队列有对应的线程

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(queue, ^{
    // 临界区...
});

锁

OSSpinLock

• OSSpinLock 是一种"自旋锁"。自旋锁是一种特殊互斥锁，当一个线程需要获取自旋锁时，如果该锁已经被其他线程占用，那么会一直去请求锁，进入 忙等（busy-waiting） 状态，所以会一直占用 CPU
• 由于自旋锁在等待锁的时候线程一直处于忙等状态，而不用进入睡眠，所以不用进行上下文切换，自旋锁的效率远高于互斥锁
• 自旋锁适用于
  • 预计线程等待锁的时间很短
  • 临界区经常访问，但竞争情况很少发生
• 自旋锁不安全，会出现优先级反转问题：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 忙等 状态从而占用大量 CPU 时间片。此时低优先级线程无法与高优先级线程争夺 CPU 时间片，从而导致完成任务而无法释放锁
• 在 iOS 10 及以上被废弃

#import <libkern/OSAtomic.h>

OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;

// 加锁
OSSpinLockLock(&lock);

// 临界区...

// 解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);

os_unfair_lock

• os_unfair_lock 用于取代不安全的 OSSpinLock ，iOS 10 开始支持，当一条线程等待锁的时候会进入睡眠，不再消耗 CPU 时间，当其他线程解锁以后，操作系统会激活线程
• os_unfair_lock 有单一的拥有者
• 这是一种不公平锁。在公平锁中，多个线程同时竞争这个锁的时候， 会考虑公平性尽可能的让不同的线程获得锁，这样会频繁进行上下文切换，牺牲性能。而在不公平锁中，系统为了减少上下文切换，当前拥有锁的线程有可能会再次获得锁，但这样做可能会让其他线程等待更长时间，造成饥饿

#import <os/lock.h>

os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;


// 加锁
os_unfair_lock_lock(&lock);

// 临界区...

// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&lock);

互斥锁

• 互斥锁是可以看作是一种特殊的信号量，当一条线程等待锁的时候会进入睡眠状态
• 互斥锁阻塞的过程分两个阶段，第一阶段是会先空转，可以理解成跑一个 while 循环，不断地去申请加锁，在空转一定时间之后，线程会进入睡眠状态，让出时间片，此时线程就不占用 CPU 时间片，等锁可用的时候，这个线程会立即被唤醒

pthread_mutex

pthread 表示 POSIX thread，是 POSIX 标准的 unix 多线程库，定义了一组跨平台的线程相关的API。pthread_mutex 是一种用 C 语言实现的互斥锁，有单一的拥有者

#import <pthread.h>

// 静态初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


// 动态初始化
// 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_t mutex;
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);


// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);

// 临界区...

// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// 销毁锁
pthread_mutex_destroy(&_mutex);

NSLock

• NSLock 是以 Objective-C 对象的形式对 pthread_mutex 的封装，属性为 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，它会损失一定性能换来错误提示
• NSLock 比 pthread_mutex 略慢的原因在于它需要经过方法调用，同时由于缓存的存在，多次方法调用不会对性能产生太大的影响
• NSLock 有单一的拥有者

NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];

// 加锁
[lock lock];

// 临界区...

// 解锁
[lock unlock];

递归锁

递归锁是一种特殊互斥锁。递归锁允许单个线程在释放之前多次获取锁，其他线程保持睡眠状态，直到锁的所有者释放锁的次数与获取它的次数相同。递归锁主要在递归迭代中使用，但也可能在多个方法需要单独获取锁的情况下使用。

pthread_mutex(Recursive)

pthread_mutex 支持递归锁，只要把 attr 的类型改成 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 即可，它有单一的拥有者

#import <pthread.h>

// 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_t mutex;
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);


// 加锁
pthread_mutex_lock(&_mutex);


// 临界区...
// 在同一个线程中可以多次获取锁

// 解锁
pthread_mutex_unlock(&_mutex);


// 销毁锁
pthread_mutex_destroy(&_mutex);

NSRecursiveLock

NSRecursiveLock 是以 Objective-C 对象的形式对 pthread_mutex(Recursive) 的封装，它有单一的拥有者

NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];

// 加锁
[lock lock];

// 临界区...
// 在同一个线程中可以多次获取锁

// 解锁
[lock unlock];

@synchronized

• @synchronized 是对 pthread_mutex(Recursive) 的封装，所以它支持递归加锁
• 需要传入一个 Objective-C 对象，可以理解为把这个对象当做锁来使用
• 实际上它是用 objc_sync_enter(id obj) 和 objc_sync_exit(id obj) 来进行加锁和解锁
• 底层实现：在底层存在一个全局用来存放锁的哈希表（可以理解为锁池），对传入的对象地址的哈希值作为key，去查找对应的递归锁
• @synchronized 额外还会设置异常处理机制，性能消耗较大
• @synchronized 有单一的拥有者

@synchronized(lock) {
    // 临界区...
}

条件锁

条件锁是一种特殊互斥锁，需要条件变量(condition variable) 来配合。条件变量有点像信号量，提供了线程阻塞与信号机制，因此可以用来阻塞某个线程，并等待某个数据就绪，随后唤醒线程。条件锁是为了解决 生产者-消费者模型

pthread_mutex – 条件锁

pthread_mutex 配合 pthread_cond_t，可以实现条件锁，其中 pthread_cond_t 没有拥有者

#import <pthread.h>

// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &NULL);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

// 初始化条件变量
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);

// 消费者
- (void)remove {
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);

    // 先判断某个条件
    if (self.data.count == 0) {
        // 如果不满足条件，则等待，具体是释放锁，用条件变量来阻塞当前线程
        // 当条件满足的时候，条件变量唤醒线程，再用原来的锁加锁
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }

    [self.data removeLastObject];


    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}


// 生产者
- (void)add
{
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    

    [self.data addObject:@"Test"];
    
    // 信号
    // 条件变量唤醒阻塞的线程
    pthread_cond_signal(&cond);
    // 广播
    // pthread_cond_broadcast(&cond);
    
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}


// 销毁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);

NSCondition

NSCondition 是以 Objective-C 对象的形式对 pthread_mutex 和 pthread_cond_t 进行了封装，NSCondition 没有拥有者

NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init];

// 消费者
- (void)remove
{
    [condition lock];

    
    if (self.data.count == 0) {
        // 如果不满足条件，则等待，具体是释放锁，用条件变量来阻塞当前线程
        // 当条件满足的时候，条件变量唤醒线程，再用原来的锁加锁
        [condition wait];
    }
    
    [self.data removeLastObject];
    
    [condition unlock];
}


// 生产者
- (void)add
{
    [condition lock];
    
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    
    // 信号
    // 条件变量唤醒阻塞的线程
    [condition signal];
    
    
    [condition unlock];
}

NSConditionLock

NSConditionLock 是对 NSCondition 的进一步封装，可以设置条件变量的值。通过改变条件变量的值，可以使任务之间产生依赖关系，达到使任务按照一定的顺序执行，它有单一的拥有者(不确定)

// 初始化设置条件变量的为1，如果不设置则默认为0
NSConditionLock *lock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];


// 消费者
- (void)remove
{
    // 当条件变量为2的时候加锁，否则等待
    [lock lockWhenCondition:2];
    
    [self.data removeLastObject];
    
    // 直接解锁
    [lock unlock];
}


// 生产者
- (void)add
{
    // 直接加锁
    [lock lock];
    
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    
    
    // 解锁并让条件变量为2
    [lock unlockWithCondition:2];
}

读写锁

读写锁是一种特殊互斥锁，提供"多读单写"的功能，多个线程可以同时对共享资源进行读取，但是同一时间只能有一条线程对共享资源进行写入

pthread_rwlock

pthread_rwlock 有多个拥有者

#import <pthread.h>

// 初始化
pthread_rwlock_t lock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;


// 读操作
- (void)read {
    pthread_rwlock_rdlock(&lock);

    // 临界区...
  
    pthread_rwlock_unlock(&lock);
}

// 写操作
- (void)write
{
    pthread_rwlock_wrlock(&lock);
    
    // 临界区...
    
    pthread_rwlock_unlock(&lock);
}

// 销毁
- (void)dealloc
{
    pthread_rwlock_destroy(&lock);
}

GCD 的 Barrier函数

• GCD 的 Barrier 函数也可以实现"多读单写"的功能
• Barrier 函数的作用是：等其他任务执行完毕，才会执行任务自己的任务；会执行完毕自己的任务，才会继续执行其他任务
• 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

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);


dispatch_async(queue, ^{
    // 读
});

dispatch_async(queue, ^{
    // 读
});


dispatch_barrier_async(queue, ^{
    // 写
});

dispatch_async(queue, ^{
    // 读
});

性能

性能从高到底分别是：

• os_unfair_lock
• OSSpinLock
• dispatch_semaphore
• pthread_mutex
• GCD 串行队列
• NSLock
• NSCondition
• pthread_mutex(recursive)
• NSRecursiveLock
• NSConditionLock
• @synchronized

总结：

• OSSpinLock 和 os_unfair_lock 性能很高，但是一个是已经废弃，一个是低级锁，苹果不建议使用低级锁
• dispatch_semaphore 和 pthread_mutex 也具有不错的性能，NSLock 是 pthread_mutex 的封装，性能上接近
• 个人建议在 Objective-C 中直接使用面向对象的 NSLock，而在 Swif t中使用 GCD 串行队列

参考文章

苹果官方文档

白夜追凶，揭开iOS锁的秘密

起底多线程同步锁(iOS)

深入理解 iOS 开发中的锁