iOS开发中的11种锁以及性能对比

2018-03-01 本文已影响1331人 SuperMario_Nil

在平时开发中我们经常会使用多线程，多线程为我们带来了很大便利，也提高了程序的执行效率，但同时也带来了Data race，Data race的定义很简单：当至少有两个线程同时访问同一个变量，而且至少其中有一个是写操作时，就发生了Data race。所以这是就要利用一些同步机制来确保数据的准确性，锁就是同步机制中的一种。

怎么检测项目中的`Data race`？

只需要在设置中勾选Thread Sanitizer 即可，顺便可以勾选Pause on issues 就可以断点到相应的代码。
更多延伸内容请参考Peak君的如何用Xcode8解决多线程问题和iOS多线程到底不安全在哪里？

下面就进入正题简单聊一聊iOS中的锁，以及相关的内容（由于本人能力有限，文中难免有一些遗漏或者错误，请各位看官不吝赐教！谢谢！🙏)

简单的性能测试

下图是我针对iOS中的锁自己测试得出的，图中数字代表每次加解锁需要消耗的时间，单位为ns。代码在这里，代码参考自YY大神的不再安全的 OSSpinLock，基本跟YY大神的图差不多😉，YY大神的单位是μs，应该是1000次的，或者写错了吧~

LockPerformance.jpg

注：运行手机： iphone6s plus ，系统版本：11.2.2，Xcode9.2；数字的单位为ns（得出的具体数值是跑了多次取的均值）。

值得注意的是：1.这个数字仅仅代表每次加解锁的耗时，并不能全方面的代表性能。2.不同的机型和系统，不同的循环次数可能结果会略微有些差异。
但是还是可以看出@synchronized:是表现最差的。

在具体说这些锁之前，先来说几个概念定义：(参考维基百科)

临界区：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。
自旋锁：是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。
互斥锁（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而达成。
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) 用于解决多线程对公共资源读写问题。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。
信号量（semaphore）：是一种更高级的同步机制，互斥锁可以说是semaphore在仅取值0/1时的特例。信号量可以有更多的取值空间，用来实现更加复杂的同步，而不单单是线程间互斥。
条件锁：就是条件变量，当进程的某些资源要求不满足时就进入休眠，也就是锁住了。当资源被分配到了，条件锁打开，进程继续运行。

互斥锁

1.NSLock：是Foundation框架中以对象形式暴露给开发者的一种锁，（Foundation框架同时提供了NSConditionLock，NSRecursiveLock，NSCondition）NSLock定义如下：

@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 API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

@end

tryLock 和 lock 方法都会请求加锁，唯一不同的是trylock在没有获得锁的时候可以继续做一些任务和处理。lockBeforeDate方法也比较简单，就是在limit时间点之前获得锁，没有拿到返回NO。
实际项目中：NSLock在AFNetworking的AFURLSessionManager.m中应用如下：

- (instancetype)initWithSessionConfiguration:(NSURLSessionConfiguration *)configuration {
    ...
    self.lock = [[NSLock alloc] init];
    self.lock.name = AFURLSessionManagerLockName;
    ...
}
- (void)setDelegate:(AFURLSessionManagerTaskDelegate *)delegate
            forTask:(NSURLSessionTask *)task
{
    ...
    [self.lock lock];
    self.mutableTaskDelegatesKeyedByTaskIdentifier[@(task.taskIdentifier)] = delegate;
    [delegate setupProgressForTask:task];
    [self addNotificationObserverForTask:task];
    [self.lock unlock];
}

2.pthread_mutex：
实际项目中： 在YYKit的YYMemoryCach中可以看到

- (instancetype)init {
    ...
    pthread_mutex_init(&_lock, NULL);
    ...
}
- (void)_trimToCost:(NSUInteger)costLimit {
    BOOL finish = NO;
    pthread_mutex_lock(&_lock);
    if (costLimit == 0) {
        [_lru removeAll];
        finish = YES;
    } else if (_lru->_totalCost <= costLimit) {
        finish = YES;
    }
    pthread_mutex_unlock(&_lock);
    if (finish) return;
    
    NSMutableArray *holder = [NSMutableArray new];
    while (!finish) {
        if (pthread_mutex_trylock(&_lock) == 0) {
            if (_lru->_totalCost > costLimit) {
                _YYLinkedMapNode *node = [_lru removeTailNode];
                if (node) [holder addObject:node];
            } else {
                finish = YES;
            }
            pthread_mutex_unlock(&_lock);
        } else {
            usleep(10 * 1000); //10 ms
        }
    }
   ...
}

3.@synchronized:
实际项目中：AFNetworking中 isNetworkActivityOccurring属性的getter方法

- (BOOL)isNetworkActivityOccurring {
    @synchronized(self) {
        return self.activityCount > 0;
    }
}

关于 @synchronized推荐扩展阅读关于 @synchronized，这儿比你想知道的还要多

自旋锁

1.OSSpinLock:

OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
OSSpinLockLock(&lock);
...
OSSpinLockUnlock(&lock);

上面是OSSpinLock使用方式，编译会报警告，已经废弃了，OSSpinLock大家也已经不再用它了，因为它在某一些场景下已经不安全了，可以参考 YY大神的不再安全的 OSSpinLock，在Protocol Buffers项目中你可以看到这样的注释，大家已经用新的方案替换了。

 // NOTE: OSSpinLock may seem like a good fit here but Apple engineers have
  // pointed out that they are vulnerable to live locking on iOS in cases of
  // priority inversion:
  //   http://mjtsai.com/blog/2015/12/16/osspinlock-is-unsafe/
  //   https://lists.swift.org/pipermail/swift-dev/Week-of-Mon-20151214/000372.html

2.os_unfair_lock:
os_unfair_lock 是苹果官方推荐的替换OSSpinLock的方案，但是它在iOS10.0以上的系统才可以调用。

os_unfair_lock_t unfairLock;
unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
os_unfair_lock_lock(unfairLock);
os_unfair_lock_unlock(unfairLock);

读写锁

上文有说到，读写锁又称共享-互斥锁，
pthread_rwlock：

//加读锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
//解锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
//加写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
//解锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

递归锁

递归锁有一个特点，就是同一个线程可以加锁N次而不会引发死锁。
1.NSRecursiveLock:
NSRecursiveLock在YYKit中YYWebImageOperation.m中有用到：

_lock = [NSRecursiveLock new];
- (void)dealloc {
    [_lock lock];
    ...
    ...
    [_lock unlock];
}

2.pthread_mutex(recursive):
pthread_mutex锁也支持递归，只需要设置PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE即可

pthread_mutex_t lock;
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_init(&lock, &attr);
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
pthread_mutex_lock(&lock);
pthread_mutex_unlock(&lock);

条件锁

1. NSCondition:
定义：

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

- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;

遵循NSLocking协议，使用的时候同样是lock,unlock加解锁，wait是傻等，waitUntilDate:方法是等一会，都会阻塞掉线程，signal是唤起一个在等待的线程，broadcast是广播全部唤起。

NSCondition *lock = [[NSCondition alloc] init];
//Son 线程
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    [lock lock];
    while (No Money) {
        [lock wait];
    }
    NSLog(@"The money has been used up.");
    [lock unlock];
});
    
 //Father线程
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    [lock lock];
    NSLog(@"Work hard to make money.");
    [lock signal];
    [lock unlock];
 });

2.NSConditionLock:
定义：

@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;

很简单，方法很清晰，基本同上。

信号量

dispatch_semaphore:
dispatch_semaphore在YYKit中的YYThreadSafeArray.m有所应用，YY大神有这样一句注释：

@discussion Generally, access performance is lower than NSMutableArray, 
 but higher than using @synchronized, NSLock, or pthread_mutex_t.

#define LOCK(...) dispatch_semaphore_wait(_lock, DISPATCH_TIME_FOREVER); \
__VA_ARGS__; \
dispatch_semaphore_signal(_lock);

总结：

其实本文写的都是一些再基础不过的内容，在平时阅读一些开源项目的时候经常会遇到一些保持线程同步的方式，因为场景不同可能选型不同，这篇就做一下简单的记录吧~我相信读完这篇你应该能根据不同场景选择合适的锁了吧、能够道出自旋锁和互斥锁的区别了吧。

最后：

由于本人能力有限，文中难免有一些遗漏或者错误，请各位看官不吝赐教！谢谢！同时有任何关于锁相关的疑问可以疯狂留言，一起交流，一起进步~🙏 祝大家每天都能进步一点点~

iOS开发中的11种锁以及性能对比

怎么检测项目中的`Data race`？

简单的性能测试

互斥锁

自旋锁

读写锁

递归锁

条件锁

信号量

总结：

最后：

扩展阅读：

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互斥锁

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读写锁

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最后：

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