iOS開發進階：執行緒同步技術-鎖

執行緒 iOS開發 · 發表 2018-09-26 18:09:00

摘要：在iOS多執行緒中，經常會出現資源競爭和死鎖的問題。本節將學習iOS中不同的鎖。執行緒同步方案常見的兩個問題：多執行緒買票和存取錢問題。示例：存取錢問題 // 示例：存取錢問題 - (void)moneyTest { self.mon...

在iOS多執行緒中，經常會出現資源競爭和死鎖的問題。本節將學習iOS中不同的鎖。

執行緒同步方案

常見的兩個問題：多執行緒買票和存取錢問題。

示例：存取錢問題

// 示例：存取錢問題
- (void)moneyTest {
self.moneyCount = 100;

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_async(queue, ^{
for (int i = 0; i < 5; i++) {
[self saveMoney];
}
});
dispatch_async(queue, ^{
for (int i = 0; i < 5; i++) {
[self takeMoney];
}
});
}
- (void)saveMoney {
int oldCount = self.moneyCount;
sleep(0.2);
oldCount += 50;
self.moneyCount = oldCount;
NSLog(@"存50，還剩%d錢", self.moneyCount);
}

- (void)takeMoney {
int oldCount = self.moneyCount;
sleep(0.2);
oldCount -= 20;
self.moneyCount = oldCount;
NSLog(@"取20，還剩%d錢", self.moneyCount);
}

示例：賣票問題

// 示例：買票
- (void)sellTest {
self.count = 15;
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_async(queue, ^{
for (int i = 0; i < 5; i++) {
[self printTest2];
}
});
dispatch_async(queue, ^{
for (int i = 0; i < 5; i++) {
[self printTest2];
}
});
dispatch_async(queue, ^{
for (int i = 0; i < 5; i++) {
[self printTest2];
}
});
}
- (void)printTest2 {
NSInteger oldCount = self.count;
sleep(0.2);
oldCount --;
self.count = oldCount;
NSLog(@"還剩%ld張票 - %@", (long)oldCount, [NSThread currentThread]);
}

解決上面這種資源共享問題，就需要使用執行緒同步技術。執行緒同步技術的核心是：鎖。下面學習iOS中不同鎖的使用，比較不同鎖之間的優缺點。

示例程式碼： ofollow,noindex">演示購票和存取錢問題：Demo

iOS當中有哪些鎖？

@synchronized 常用於單例
atomic 原子性
OSSpinLock 自旋鎖
NSRecursiveLock 遞迴鎖
NSLock 
dispatch_semaphore_t 訊號量
NSCondition 條件
NSConditionLock 條件鎖

簡介：

@synchronized 使用場景：一般在建立單例物件時使用，保證物件在多執行緒中是唯一的。
atomic 屬性關鍵字原子性，保證賦值操作是執行緒安全的，讀取操作不能保證執行緒安全。
OSSpinLock 自旋鎖。特點：迴圈等待訪問，不釋放當前資源。常用於輕量級資料訪問，簡單的int值+1/-1操作。
* NSLock 某個執行緒A呼叫lock方法。這樣，NSLock將被上鎖。可以執行“關鍵部分”，完成後，呼叫unlock方法。如果，線上程A 呼叫unlock方法之前，另一個執行緒B呼叫了同一鎖物件的lock方法。那麼，執行緒B只有等待。直到執行緒A呼叫了unlock。

[lock lock]; //加鎖
// 關鍵部分
[lock unlock]; // 解鎖

NSRecursiveLock 遞迴鎖，特點：遞迴鎖在被同一執行緒重複獲取時不會產生死鎖。

dispatch_semaphore_t 訊號量

// 建立訊號量結構體物件，含有一個int成員
dispatch_semaphore_create(1);
// 先對value減一，如果小於零表示沒有資源可以訪問。通過主動行為進行阻塞。
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// value加1，小於等零表示有佇列在排隊，通過被動行為進行喚醒
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

OSSpinLock

自旋鎖，等待鎖的執行緒會處於忙等狀態，一直佔用著CPU資源。

常用API：

匯入標頭檔案
#import <libkern/OSAtomic.h>
// 初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 嘗試加鎖
OSSpinLockTry(&lock);
// 加鎖
OSSpinLockLock(&lock);
// 解鎖
OSSpinLockUnlock(&lock);

使用 OSSpinLock 解決賣票問題

// 自旋鎖：#import <libkern/OSAtomic.h>
// 定義一個全域性的自旋鎖物件 lock 。
- (void)printTest2 {
// 加鎖
OSSpinLockLock(&_lock);
NSInteger oldCount = self.count;
sleep(0.2);
oldCount --;
self.count = oldCount;
NSLog(@"還剩%ld張票 - %@", (long)oldCount, [NSThread currentThread]);
// 解鎖
OSSpinLockUnlock(&_lock);
}

使用 OSSpinLock 解決存取錢問題

- (void)saveMoney {
OSSpinLockLock(&_moneyLock);
int oldCount = self.moneyCount;
sleep(0.2);
oldCount += 50;
self.moneyCount = oldCount;
NSLog(@"存50，還剩%d錢", self.moneyCount);
OSSpinLockUnlock(&_moneyLock);
}
- (void)takeMoney {
OSSpinLockLock(&_moneyLock);
int oldCount = self.moneyCount;
sleep(0.2);
oldCount -= 20;
self.moneyCount = oldCount;
NSLog(@"取20，還剩%d錢", self.moneyCount);
OSSpinLockUnlock(&_moneyLock);
}

注意：賣票和取錢不要共用一把鎖。這裡建立了兩把鎖 sellLock 和 moneyLock 。

自旋鎖現在不再安全，因為可能出現優先順序反轉問題。如果等待鎖的執行緒優先順序較高，他會一直佔用CPU資源，優先順序低的執行緒就無法獲取CPU資源完成任務並釋放鎖。可以檢視這篇文章不再安全的OSSpinLock 。

本節示例程式碼：執行緒同步解決方案Demo

os_unfair_lock

自旋鎖已經不再安全，存在優先順序反轉問題。蘋果在iOS10開始使用 os_unfair_lock 取代了 OSSpinLock 。從底層呼叫來看，自旋鎖和 os_unfair_lock 的區別，前者等待執行緒處於忙等，而後者等待執行緒處於休眠狀態。

常用API：

匯入標頭檔案 
#import <os/lock.h>
// 初始化
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
// 嘗試加鎖
os_unfair_lock_trylock(&_lock);
// 加鎖
os_unfair_lock_lock(&_lock);
// 解鎖
os_unfair_lock_unlock(&_lock);

pthread_mutex

互斥鎖，等待鎖的執行緒處於休眠狀態。

常用API：

// 標頭檔案 #import <pthread.h>
- (void)__initLock:(pthread_mutex_t *)lock {
// 初始化屬性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
// 設定為普通鎖，PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE表示遞迴鎖
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化鎖
pthread_mutex_init(lock, &attr);
// 銷燬屬性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
}
// 加鎖
pthread_mutex_lock(&lock);
// 解鎖
 pthread_mutex_unlock(&lock);
// 初始化條件
pthread_cond_init(&cond, NULL)
// 等待條件（進入休眠，放開鎖；被喚醒後，會再次加鎖）
pthread_cond_wait(&cond, &lock);
// 啟用一個等待該條件的執行緒
pthread_cond_signal(&cond);
// 啟用所有等待該條件的執行緒
pthread_cond_broadcast(&cond); 
// 銷燬資源
pthread_mutex_destory(&lock);
pthread_cond_destory(&cond);

其中 PTHREAD_MUTEX_DEFAULT 設定的是鎖的型別，還有另一種型別 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 表示遞迴鎖。遞迴鎖允許同一個執行緒對一把鎖進行重複加鎖。

NSLock&NSRecursiveLock&NSCondition

NSLock 是對 mutex 普通鎖的封裝。

@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end

@interface NSLock : NSObject <NSLocking> {
- (BOOL)tryLock; // 嘗試加鎖
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit; //在時間之前獲取鎖並返回，YES表示成功。
}
@end

NSRecursiveLock 是對 mutex 遞迴鎖的封裝，API同 NSLock 相似。

NSCondition 是對 mutex 條件的封裝。

@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end
@interface NSCondition : NSObject <NSLocking> {
- (void)wait; // 等待
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit; // 等待某一個時間段
- (void)signal; // 喚醒
- (void)broadcast; // 喚醒所有睡眠執行緒
}

以上可以檢視 pthread_mutex 使用。

atomic

atomic 用於保證屬性 setter 和 getter 的原子性操作，相當於對 setter 和 getter 內部加了同步鎖。它並不能保證使用屬性的使用過程是執行緒安全的。

NSConditionLock

NSConditionLock 是對 NSCondition 的進一步封裝。可以設定具體的條件值。

// 遵循NSLocking協議。
@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking> {
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER; // 初始化，傳入一個條件值

@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition; // 條件值符合加鎖
- (BOOL)tryLock; //嘗試加鎖
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;
@end

示例程式碼：

// 刪除
- (void)__one {

// 當鎖內部條件值為1時，加鎖。
//[self.condition lockWhenCondition:1];
[self.condition lock]; // 直接使用lock也可以
sleep(1);
NSLog(@"%s ①", __func__);
[self.condition unlockWithCondition:2]; // 解鎖，並且條件設定為2
}
// 新增
- (void)__two {

[self.condition lockWhenCondition:2]; //條件值為2時，加鎖。
sleep(1);
NSLog(@"%s ②", __func__);
[self.condition unlockWithCondition:3];
}

// 新增
- (void)__three {

[self.condition lockWhenCondition:3]; //條件值為2時，加鎖。
sleep(1);
NSLog(@"%s ③", __func__);
[self.condition unlock];
}

- (void)otherTest {
// ①
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__one) object:nil] start];
// ②
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__two) object:nil] start];
// ③
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__three) object:nil] start];

// 通過設定條件值，可以決定執行緒的執行順序。
}

輸出結果：

-[LENSConditionLock

one] ①

two] ②

-[LENSConditionLock __three] ③

訊號量

常用API：

// 初始化
 dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(5);
// 如果訊號量的值<=0，當前執行緒就會進入休眠等待，直到訊號量的值>0
// 如果訊號量的值>0，就減1，然後往下執行後面的程式碼
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 讓訊號量的值增加1，訊號量值不等於零時，前面的等待的程式碼會執行。
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);

dispatch_semaphore 訊號量的初始值，控制執行緒的最大併發訪問數量。

訊號量的初始值為1，代表同時只允許1條執行緒訪問資源，保證執行緒同步。

示例程式碼：

// 設定訊號量初始值為5。
- (void)otherTest {
for (int i = 0; i < 20; i ++) {
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(test) object:nil] start];
}
}
- (void)test {
// 如果訊號量的值<=0，當前執行緒就會進入休眠等待，直到訊號量的值>0
// 如果訊號量的值>0，就減1，然後往下執行後面的程式碼
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
sleep(2);
NSLog(@"test - %@", [NSThread currentThread]);
// 讓訊號量的值增加1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}

@synchronized

@synchronized 是對 mutex 遞迴鎖的封裝。

不推薦使用，效能比較差。

// 原始碼：objc4中的objc-sync.mm
@synchronized (obj) {
}

效能比較

不再安全的OSSpinLock 中對比了不同鎖的效能。

推薦使用 dispatch_semaphore 和 pthread_mutex 兩個。因為 OSSpinLock 效能最好但是不安全， os_unfair_lock 在iOS10才出現低版本不支援不推薦。

自旋鎖、互斥鎖的選擇

自旋鎖預計執行緒等待鎖的時間很短，加鎖經常被呼叫但競爭情況很少出現。常用於多核處理器。

互斥鎖預計等待鎖的時間較長，單核處理器。臨界區有IO操作，例如檔案讀寫。

示例程式碼：鎖例項程式碼-Github

小結

怎樣用GCD實現多讀單寫？
iOS提供幾種多執行緒技術各自的特點？
NSOperation物件在Finished之後是怎樣從佇列中移除的？
你都用過哪些鎖？結合實際談談你是怎樣使用的？

iOS開發進階：執行緒同步技術-鎖

執行緒同步方案

iOS當中有哪些鎖？

OSSpinLock

os_unfair_lock

pthread_mutex

NSLock&NSRecursiveLock&NSCondition

atomic

NSConditionLock

訊號量

@synchronized

效能比較

自旋鎖、互斥鎖的選擇

小結

參考

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