iOS开发进阶：线程同步技术-锁

在iOS多线程中，经常会出现资源竞争和死锁的问题。本节将学习iOS中不同的锁。

线程同步方案

常见的两个问题：多线程买票和存取钱问题。

示例：存取钱问题

// 示例：存取钱问题
- (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，还剩%d钱", self.moneyCount);
}

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

示例：卖票问题

// 示例：买票
- (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(@"还剩%ld张票 - %@", (long)oldCount, [NSThread currentThread]);
}

解决上面这种资源共享问题，就需要使用线程同步技术。线程同步技术的核心是：锁。下面学习iOS中不同锁的使用，比较不同锁之间的优缺点。

示例代码：演示购票和存取钱问题：Demo

iOS当中有哪些锁？

@synchronized 常用于单例
atomic 原子性
OSSpinLock 自旋锁
NSRecursiveLock 递归锁
NSLock 
dispatch_semaphore_t 信号量
NSCondition 条件
NSConditionLock 条件锁

简介：

• @synchronized 使用场景：一般在创建单例对象时使用，保证对象在多线程中是唯一的。
• atomic 属性关键字原子性，保证赋值操作是线程安全的，读取操作不能保证线程安全。
• OSSpinLock 自旋锁。特点：循环等待访问，不释放当前资源。常用于轻量级数据访问，简单的int值+1/-1操作。
  * NSLock 某个线程A调用lock方法。这样，NSLock将被上锁。可以执行“关键部分”，完成后，调用unlock方法。如果，在线程A 调用unlock方法之前，另一个线程B调用了同一锁对象的lock方法。那么，线程B只有等待。直到线程A调用了unlock。

[lock lock]; //加锁
// 关键部分
[lock unlock]; // 解锁

• NSRecursiveLock 递归锁，特点：递归锁在被同一线程重复获取时不会产生死锁。
• dispatch_semaphore_t 信号量

  // 创建信号量结构体对象，含有一个int成员
  dispatch_semaphore_create(1);
  // 先对value减一，如果小于零表示没有资源可以访问。通过主动行为进行阻塞。
  dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
  // value加1，小于等零表示有队列在排队，通过被动行为进行唤醒
  dispatch_semaphore_signal(semaphore);

OSSpinLock

自旋锁，等待锁的线程会处于忙等状态，一直占用着CPU资源。

常用API：

导入头文件
#import <libkern/OSAtomic.h>
// 初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 尝试加锁
OSSpinLockTry(&lock);
// 加锁
OSSpinLockLock(&lock);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);

使用OSSpinLock解决卖票问题

// 自旋锁：#import <libkern/OSAtomic.h>
// 定义一个全局的自旋锁对象 lock 。
- (void)printTest2 {
    // 加锁
    OSSpinLockLock(&_lock);
    NSInteger oldCount = self.count;
    sleep(0.2);
    oldCount --;
    self.count = oldCount;
    NSLog(@"还剩%ld张票 - %@", (long)oldCount, [NSThread currentThread]);
    // 解锁
    OSSpinLockUnlock(&_lock);
}

使用OSSpinLock解决存取钱问题

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

注意：卖票和取钱不要共用一把锁。这里创建了两把锁sellLock和moneyLock。

自旋锁现在不再安全，因为可能出现优先级反转问题。如果等待锁的线程优先级较高，他会一直占用CPU资源，优先级低的线程就无法获取CPU资源完成任务并释放锁。可以查看这篇文章不再安全的OSSpinLock。

本节示例代码：线程同步解决方案Demo

os_unfair_lock

自旋锁已经不再安全，存在优先级反转问题。苹果在iOS10开始使用os_unfair_lock取代了OSSpinLock。从底层调用来看，自旋锁和os_unfair_lock的区别，前者等待线程处于忙等，而后者等待线程处于休眠状态。

常用API：

导入头文件 
#import <os/lock.h>
// 初始化
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
// 尝试加锁
os_unfair_lock_trylock(&_lock);
// 加锁
os_unfair_lock_lock(&_lock);
// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&_lock);

pthread_mutex

互斥锁，等待锁的线程处于休眠状态。

常用API：

// 头文件 #import <pthread.h>
- (void)__initLock:(pthread_mutex_t *)lock {
    // 初始化属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    // 设置为普通锁，PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE表示递归锁
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_init(lock, &attr);
    // 销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
}
// 加锁
pthread_mutex_lock(&lock);
// 解锁
 pthread_mutex_unlock(&lock);
// 初始化条件
pthread_cond_init(&cond, NULL)
// 等待条件（进入休眠，放开锁；被唤醒后，会再次加锁）
pthread_cond_wait(&cond, &lock);
// 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); 
// 销毁资源
pthread_mutex_destory(&lock);
pthread_cond_destory(&cond);

其中PTHREAD_MUTEX_DEFAULT设置的是锁的类型，还有另一种类型PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE表示递归锁。递归锁允许同一个线程对一把锁进行重复加锁。

NSLock&NSRecursiveLock&NSCondition

NSLock是对mutex普通锁的封装。

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

@interface NSLock : NSObject <NSLocking> {
- (BOOL)tryLock; // 尝试加锁
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit; //在时间之前获取锁并返回，YES表示成功。
}
@end

NSRecursiveLock是对mutex递归锁的封装，API同NSLock相似。

NSCondition是对mutex条件的封装。

@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end
@interface NSCondition : NSObject <NSLocking> {
- (void)wait; // 等待
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit; // 等待某一个时间段
- (void)signal; // 唤醒
- (void)broadcast; // 唤醒所有睡眠线程
}

以上可以查看pthread_mutex使用。

atomic

atomic用于保证属性setter和getter的原子性操作，相当于对setter和getter内部加了同步锁。它并不能保证使用属性的使用过程是线程安全的。

NSConditionLock

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

// 遵循NSLocking协议。
@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking> {
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER; // 初始化，传入一个条件值

@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition; // 条件值符合加锁
- (BOOL)tryLock; //尝试加锁
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;
@end

示例代码：

// 删除
- (void)__one {

    // 当锁内部条件值为1时，加锁。
//    [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]; // 解锁，并且条件设置为2
}
// 添加
- (void)__two {
    
    [self.condition lockWhenCondition:2]; //条件值为2时，加锁。
    sleep(1);
    NSLog(@"%s ②", __func__);
    [self.condition unlockWithCondition:3];
}

// 添加
- (void)__three {
    
    [self.condition lockWhenCondition:3]; //条件值为2时，加锁。
    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];
    
    // 通过设置条件值，可以决定线程的执行顺序。
}

输出结果：

-[LENSConditionLock __one] ①
-[LENSConditionLock __two] ②
-[LENSConditionLock __three] ③

信号量

常用API：

// 初始化
 dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(5);  
// 如果信号量的值<=0，当前线程就会进入休眠等待，直到信号量的值>0
// 如果信号量的值>0，就减1，然后往下执行后面的代码
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 让信号量的值增加1，信号量值不等于零时，前面的等待的代码会执行。
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);

dispatch_semaphore信号量的初始值，控制线程的最大并发访问数量。
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。

示例代码：

// 设置信号量初始值为5。
- (void)otherTest {
    for (int i = 0; i < 20; i ++) {
        [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(test) object:nil] start];
    }
}
- (void)test {
    // 如果信号量的值<=0，当前线程就会进入休眠等待，直到信号量的值>0
    // 如果信号量的值>0，就减1，然后往下执行后面的代码
    dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    sleep(2);
    NSLog(@"test - %@", [NSThread currentThread]);
    // 让信号量的值增加1
    dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}

@synchronized

@synchronized 是对mutex递归锁的封装。
不推荐使用，性能比较差。

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

性能比较

不再安全的OSSpinLock中对比了不同锁的性能。
推荐使用dispatch_semaphore和pthread_mutex两个。因为OSSpinLock性能最好但是不安全，os_unfair_lock在iOS10才出现低版本不支持不推荐。

自旋锁、互斥锁的选择

自旋锁预计线程等待锁的时间很短，加锁经常被调用但竞争情况很少出现。常用于多核处理器。
互斥锁预计等待锁的时间较长，单核处理器。临界区有IO操作，例如文件读写。

示例代码：锁实例代码-Github

小结

• 怎样用GCD实现多读单写？
• iOS提供几种多线程技术各自的特点？
• NSOperation对象在Finished之后是怎样从队列中移除的？
• 你都用过哪些锁？结合实际谈谈你是怎样使用的？

参考

小码哥底层班视频
正确使用多线程同步锁@synchronized()
深入理解iOS开发中的锁
Object-C 多线程中锁的使用-NSLock