多线程安全-iOS开发要注意咯!
多线程，作为实现软件并发执行的一个重要的方法，也开始具有越来越重要的地位！
作为一个开发者，有一个学习的氛围跟一个交流圈子特别重要，这是一个我的iOS开发交流群：130595548，不管你是小白还是大牛都欢迎入驻 ，让我们一起进步，共同发展！（群内会免费提供一些群主收藏的免费学习书籍资料以及整理好的几百道面试题和答案文档！）
正式因为多线程能够在时间片里被CPU快速切换，造就了以下优势
- 资源利用率更好
- 程序设计在某些情况下更简单
- 程序响应更快
但是并不是非常完美，因为多线程常常伴有资源抢夺的问题，作为一个高级开发人员并发编程那是必须要的，同时解决线程安全也成了我们必须要要掌握的基础
原子操作
自旋锁其实就是封装了一个spinlock_t自旋锁
自旋锁：如果共享数据已经有其他线程加锁了，线程会以死循环的方式等待锁，一旦被访问的资源被解锁，则等待资源的线程会立即执行。自旋锁下面还会展开来介绍
互斥锁：如果共享数据已经有其他线程加锁了，线程会进入休眠状态等待锁。一旦被访问的资源被解锁，则等待资源的线程会被唤醒。
下面是自旋锁的实现原理：
bool lock = false; // 一开始没有锁上，任何线程都可以申请锁
do {
while(test_and_set(&lock); // test_and_set 是一个原子操作
Critical section // 临界区
lock = false; // 相当于释放锁，这样别的线程可以进入临界区
Reminder section // 不需要锁保护的代码
}
操作在底层会被编译为汇编代码之后不止一条指令，因此在执行的时候可能执行了一半就被调度系统打断，去执行别的代码，而我们的原子性的单条指令的执行是不会被打断的，所以保证了安全.
自旋锁的BUG
尽管原子操作非常的简单，但是它只适合于比较简单特定的场合。在复杂的场合下，比如我们要保证一个复杂的数据结构更改的原子性，原子操作指令就力不从心了，
如果临界区的执行时间过长，使用自旋锁不是个好主意。之前我们介绍过时间片轮转算法，线程在多种情况下会退出自己的时间片。其中一种是用完了时间片的时间，被操作系统强制抢占。除此以外，当线程进行 I/O 操作，或进入睡眠状态时，都会主动让出时间片。显然在 while 循环中，线程处于忙等状态，白白浪费 CPU 时间，最终因为超时被操作系统抢占时间片。如果临界区执行时间较长，比如是文件读写，这种忙等是毫无必要的
下面开始我们又爱又恨的锁
iOS锁
锁并是一种非强制机制，每一个现货出呢个在访问数据或资源之前视图获取（Acquire）锁，并在访问结束之后释放（Release）锁。在锁已经被占用的时候试图获取锁，线程会等待，知道锁重新可用！
信号量
二元信号量（Binary Semaphore）只有两种状态：占用与非占用。它适合被唯一一个线程独占访问的资源。当二元信号量处于非占用状态时，第一个试图获取该二元信号量的线程会获得该锁，并将二元信号量置为占用状态，伺候其他的所有试图获取该二元信号量的线程将会等待，直到该锁被释放
现在我们在这个基础上，我们把学习的思维由二元->多元的时候，我们的信号量由此诞生，多元信号量简称信号量
-
将信号量的值减1
-
如果信号量的值小于0，则进入等待状态，否则继续执行。访问玩资源之后，线程释放信号量，进行如下操作
-
将信号量的值加1
-
如果信号量的值小于1，唤醒一个等待中的线程
let sem = DispatchSemaphore(value: 1)
for index in 1...5 {
DispatchQueue.global().async {
sem.wait()
print(index,Thread.current)
sem.signal()
}
}
输出结果：
1 <NSThread: 0x600003fa8200>{number = 3, name = (null)}
2 <NSThread: 0x600003f90140>{number = 4, name = (null)}
3 <NSThread: 0x600003f94200>{number = 5, name = (null)}
4 <NSThread: 0x600003fa0940>{number = 6, name = (null)}
5 <NSThread: 0x600003f94240>{number = 7, name = (null)}
互斥量
互斥量（Mutex）又叫互斥锁和二元信号量很类似，但和信号量不同的是，信号量在整个系统可以被任意线程获取并释放；也就是说哪个线程锁的，要哪个线程释放锁。
具体详细的用法可以参考：常见锁用法
Mutex可以分为递归锁（recursive mutex）和非递归锁（non-recursive mutex）。 递归锁也叫可重入锁（reentrant mutex），非递归锁也叫不可重入锁（non-reentrant mutex）。 二者唯一的区别是：
- 同一个线程可以多次获取同一个递归锁，不会产生死锁。
- 如果一个线程多次获取同一个非递归锁，则会产生死锁。
NSLock 是最简单额互斥锁！但是是非递归的！直接封装了pthread_mutex 用法非常简单就不做赘述 @synchronized 是我们互斥锁里面用的最频繁的，但是性能最差！
int main(int argc, const char * argv[]) {
NSString *obj = @"Iceberg";
@synchronized(obj) {
NSLog(@"Hello,world! => %@" , obj);
}
}
底层clang
int main(int argc, const char * argv[]) {
NSString *obj = (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_8l_rsj0hqpj42b9jsw81mc3xv_40000gn_T_block_main_54f70c_mi_0;
{
id _rethrow = 0;
id _sync_obj = (id)obj;
objc_sync_enter(_sync_obj);
try {
struct _SYNC_EXIT {
_SYNC_EXIT(id arg) : sync_exit(arg) {}
~_SYNC_EXIT() {
objc_sync_exit(sync_exit);
}
id sync_exit;
} _sync_exit(_sync_obj);
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_8l_rsj0hqpj42b9jsw81mc3xv_40000gn_T_block_main_54f70c_mi_1 , obj);
} catch (id e) {
_rethrow = e;
}
{
struct _FIN {
_FIN(id reth) : rethrow(reth) {}
~_FIN() {
if (rethrow)
objc_exception_throw(rethrow);
}
id rethrow;
} _fin_force_rethow(_rethrow);
}
}
}
我们发现
objc_sync_enter函数是在try语句之前调用，参数为需要加锁的对象。因为C++中没有try{}catch{}finally{}语句，所以不能在finally{}调用objc_sync_exit函数。因此objc_sync_exit是在_SYNC_EXIT结构体中的析构函数中调用，参数同样是当前加锁的对象。这个设计很巧妙，原因在_SYNC_EXIT结构体类型的_sync_exit是一个局部变量，生命周期为try{}语句块，其中包含了@sychronized{}代码需要执行的代码，在代码完成后，_sync_exit局部变量出栈释放，随即调用其析构函数，进而调用objc_sync_exit函数。即使try{}语句块中的代码执行过程中出现异常，跳转到catch{}语句，局部变量_sync_exit同样会被释放，完美的模拟了finally的功能。
int objc_sync_enter(id obj)
{
int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
if (obj) {
SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
require_action_string(data != NULL, done, result = OBJC_SYNC_NOT_INITIALIZED, "id2data failed");
result = recursive_mutex_lock(&data->mutex);
require_noerr_string(result, done, "mutex_lock failed");
} 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();
}
done:
return result;
}
从上面的源码中我们可以得出你调用sychronized的每个对象，Objective-C runtime都会为其分配一个递归锁并存储在哈希表中。完美
其实如果大家觉得@sychronized性能低的话，完全可以用NSRecursiveLock现成的封装好的递归锁
NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
static void (^RecursiveBlock)(int);
RecursiveBlock = ^(int value) {
[lock lock];
if (value > 0) {
NSLog(@"value:%d", value);
RecursiveBlock(value - 1);
}
[lock unlock];
};
RecursiveBlock(2);
});
2016-08-19 14:43:12.327 ThreadLockControlDemo[1878:145003] value:2
2016-08-19 14:43:12.327 ThreadLockControlDemo[1878:145003] value:1
条件变量
条件变量(Condition Variable)作为一种同步手段，作用类似一个栅栏。对于条件变量，现成可以有两种操作：
- 首先线程可以等待条件变量，一个条件变量可以被多个线程等待
- 其次线程可以唤醒条件变量。此时某个或所有等待此条件变量的线程都会被唤醒并继续支持。
换句话说：使用条件变量可以让许多线程一起等待某个时间的发生，当某个时间发生时，所有的线程可以一起恢复执行！
相信仔细的大家肯定在锁的用法里面见过NSCondition，就是封装了条件变量pthread_cond_t和互斥锁
- (void) signal {
pthread_cond_signal(&_condition);
}
// 其实这个函数是通过宏来定义的，展开后就是这样
- (void) lock {
int err = pthread_mutex_lock(&_mutex);
}
NSConditionLock借助 NSCondition来实现，它的本质就是一个生产者-消费者模型。“条件被满足”可以理解为生产者提供了新的内容。NSConditionLock 的内部持有一个NSCondition对象，以及 _condition_value属性，在初始化时就会对这个属性进行赋值:
// 简化版代码
- (id) initWithCondition: (NSInteger)value {
if (nil != (self = [super init])) {
_condition = [NSCondition new]
_condition_value = value;
}
return self;
}
临界区
比互斥量更加严格的同步手段。在术语中，把临界区的获取称为进入临界区，而把锁的释放称为离开临界区。与互斥量和信号量的区别：
- (1)互斥量和信号量字系统的任何进程都是可见的。
- (2)临界区的作用范围仅限于本进程，其他进程无法获取该锁。
// 临界区结构对象
CRITICAL_SECTION g_cs;
// 共享资源
char g_cArray[10];
UINT ThreadProc10(LPVOID pParam)
{
// 进入临界区
EnterCriticalSection(&g_cs);
// 对共享资源进行写入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[i] = a;
Sleep(1);
}
// 离开临界区
LeaveCriticalSection(&g_cs);
return 0;
}
UINT ThreadProc11(LPVOID pParam)
{
// 进入临界区
EnterCriticalSection(&g_cs);
// 对共享资源进行写入操作
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
g_cArray[10 - i - 1] = b;
Sleep(1);
}
// 离开临界区
LeaveCriticalSection(&g_cs);
return 0;
}
……
void CSample08View::OnCriticalSection()
{
// 初始化临界区
InitializeCriticalSection(&g_cs);
// 启动线程
AfxBeginThread(ThreadProc10, NULL);
AfxBeginThread(ThreadProc11, NULL);
// 等待计算完毕
Sleep(300);
// 报告计算结果
CString sResult = CString(g_cArray);
AfxMessageBox(sResult);
}
读写锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwptr);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwptr);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwptr);
ReadWriteLock管理一组锁，一个是只读的锁，一个是写锁。读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，写锁是独占的。
#include <pthread.h> //多线程、读写锁所需头文件
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; //定义和初始化读写锁
写模式：
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); //加写锁
写写写……
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); //解锁
读模式：
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); //加读锁
读读读……
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); //解锁
- 用条件变量实现读写锁
这里用条件变量+互斥锁来实现。注意：条件变量必须和互斥锁一起使用，等待、释放的时候都需要加锁。
#include <pthread.h> //多线程、互斥锁所需头文件
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //定义和初始化互斥锁
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //定义和初始化条件变量
写模式：
pthread_mutex_lock(&mutex); //加锁
while(w != 0 || r > 0)
{
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //等待条件变量的成立
}
w = 1;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
写写写……
pthread_mutex_lock(&mutex);
w = 0;
pthread_cond_broadcast(&cond); //唤醒其他因条件变量而产生的阻塞
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
读模式：
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(w != 0)
{
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //等待条件变量的成立
}
r++;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
读读读……
pthread_mutex_lock(&mutex);
r- -;
if(r == 0)
pthread_cond_broadcast(&cond); //唤醒其他因条件变量而产生的阻塞
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
- 用互斥锁实现读写锁
这里使用2个互斥锁+1个整型变量来实现
#include <pthread.h> //多线程、互斥锁所需头文件
pthread_mutex_t r_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //定义和初始化互斥锁
pthread_mutex_t w_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int readers = 0; //记录读者的个数
写模式：
pthread_mutex_lock(&w_mutex);
写写写……
pthread_mutex_unlock(&w_mutex);
读模式：
pthread_mutex_lock(&r_mutex);
if(readers == 0)
pthread_mutex_lock(&w_mutex);
readers++;
pthread_mutex_unlock(&r_mutex);
读读读……
pthread_mutex_lock(&r_mutex);
readers- -;
if(reader == 0)
pthread_mutex_unlock(&w_mutex);
pthread_mutex_unlock(&r_mutex);
- 用信号量来实现读写锁
这里使用2个信号量+1个整型变量来实现。令信号量的初始数值为1，那么信号量的作用就和互斥量等价了。
#include <semaphore.h> //线程信号量所需头文件
sem_t r_sem; //定义信号量
sem_init(&r_sem, 0, 1); //初始化信号量
sem_t w_sem; //定义信号量
sem_init(&w_sem, 0, 1); //初始化信号量
int readers = 0;
写模式：
sem_wait(&w_sem);
写写写……
sem_post(&w_sem);
读模式：
sem_wait(&r_sem);
if(readers == 0)
sem_wait(&w_sem);
readers++;
sem_post(&r_sem);
读读读……
sem_wait(&r_sem);
readers- -;
if(readers == 0)
sem_post(&w_sem);
sem_post(&r_sem);
线程的安全是现在各个领域在多线程开发必须要掌握的基础！只有对底层有所掌握，才能在真正的实际开发中游刃有余！现在的iOS开发乃至其他开发都是表面基础层开发，真正大牛开发之路还请继续努力，这一篇博客以供大家一起学习！
