线程安全
当一个线程访问数据的时候,其他的线程不能对其进行访问,直到该线程访问完毕。简单来讲就是在同一时刻,对同一个数据操作的线程只有一个。而线程不安全,则是在同一时刻可以有多个线程对该数据进行访问,从而得不到预期的结果。 在iOS中, UIKit
是绝对线程安全的,因为UIKit
都是在主线程操作的,单线程没有线程当然没有线程安全问题,但除此之外,其他都要考虑线程安全问题
iOS解决线程安全的途径其原理大同小异,都是通过锁来使关键代码保证同步执行,从而确保线程安全性,这一点和多线程的异步执行任务是不冲突的。
注: 不要将过多的其他操作代码放到锁里面,否则一个线程执行的时候另一个线程就一直在等待,就无法发挥多线程的作用了
下方我们就详细讲解iOS相关锁,本博客采用一个经典的售票例子:
此处展示的是不加锁(即不考虑线程安全)的情况:
// .h 中
#import <Cocoa/Cocoa.h>
@interface ViewController : NSViewController
@property (nonatomic, assign) NSInteger ticketSurplusCount;
@end
// .m中
// 记录共出售多少票的全局变量
int cnt = 0;
- (void)startSell {
// 一共有50张票
self.ticketSurplusCount = 50;
__weak typeof (self) weakSelf = self;
// 一号售卖口
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
[weakSelf saleTick];
});
// 二号售卖口
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
[weakSelf saleTick];
});
}
- (void)saleTick {
while(1) {
if (self.ticketSurplusCount > 0) {
self.ticketSurplusCount--;
cnt++;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
} else {
NSLog(@"所有火车票均已售完,共售出%d张票", cnt);
break;
}
}
}
运行结果:
我们看到运行结果显示整个卖票的过程是错乱的,居然一共卖出了51张票,接下来我们就在讲解锁的过程中对卖票操作加锁,来修正现在的错乱结果。
锁的种类
iOS中的锁有两大类:自旋锁、互斥锁
自旋锁
与互斥锁有点类似,只是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环尝试,直到该自旋锁的保持者已经释放了锁(忙等待)。因为不会引起调用者睡眠,所以效率高于互斥锁。
自旋锁原理
线程一直是running(加锁——>解锁),死循环检测锁的标志位,机制不复杂。
自旋锁缺点
- 调用者在未获得锁的情况下,一直运行--自旋,所以占用着CPU资源,如果不能在很短的时间内获得锁,会使CPU效率降低。所以自旋锁就主要用在临界区持锁时间非常短且CPU资源不紧张的情况下。
- 在用自旋锁时有可能造成死锁,当递归调用时有可能造成死锁。
OSSpinLock(自旋锁)
OSSpinLock是在libkern库中,使用之前需要引入头文件<libkern/OSAtomic.h>,使用时会出现警告⚠️。
这是因为OSSpinLock
存在缺陷,从iOS10开始已经不建议使用了。官方建议使用os_unfair_lock
来替代。
// 初始化
spinLock = OS_SPINKLOCK_INIT;
// 加锁
OSSpinLockLock(&spinLock);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&spinLock);
实际使用(在卖票例子中):
- (void)saleTick {
while(1) {
// 加锁
OSSpinLockLock(&_spinLock);
if (self.ticketSurplusCount > 0) {
self.ticketSurplusCount--;
cnt++;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
} else {
NSLog(@"所有火车票均已售完,共售出%d张票", cnt);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&_spinLock);
break;
}
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&_spinLock);
}
}
运行结果:
结果就是按照顺序非常规范地卖出了这50张票
刚才提到了OSSpinLock
存在缺陷,其实它的缺陷主要存在两点:
OSSpinLock
不会记录持有它的线程信息,当发生优先级反转的时候,系统找不到低优先级的线程,导致系统可能无法通过提高优先级解决优先级反转问题- 高优先级线程使用自旋锁忙等待的时候一直在占用CPU时间片,导致低优先级线程拿到时间片的概率降低。
值得注意的是: 自旋锁和优先级反转没有关系,但是正因为有上面两点,所以自旋锁会导致优先级反转问题更难解决,甚至造成更为严重的线程等待问题,所以苹果就废除了OSSpinLock
,转而推荐人们使用os_unfair_lock
来替代,由于os_unfair_lock
是一个互斥锁,所以我们将对其的讲解放到互斥锁中去。
互斥锁
保证在任何时候,都只有一个线程访问对象。当获取锁操作失败时,线程会进入睡眠,等待锁释放时被唤醒。
互斥锁原理
线程会从sleep
(加锁)——> running
(解锁),过程中有上下文的切换,cpu的抢占,信号的发送等开销,所以效率是要低于自旋锁的。
互斥锁分为两种: 递归锁、非递归锁
- 递归锁:可重入锁,同一个线程在锁释放前可再次获取锁,即可以递归调用。
- 非递归锁:不可重入,必须等锁释放后才能再次获取锁。
os_unfair_lock
上面讲过现在苹果采用os_unfair_lock
来代替不安全的OSSpinLock
,且由于os_unfair_lock
会休眠而不是忙等,所以属于 互斥锁 ,且是非递归互斥锁,下面来看一下它的用法:
os_unfair_lock
在os
库中,使用之前需要导入头文件<os/lock.h>
//创建一个锁
os_unfair_lock unfairLock;
//初始化
unfairLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
//加锁
os_unfair_lock_lock(&unfairLock);
//解锁
os_unfair_lock_unlock(&unfairLock);
实际使用(在卖票例子中):
- (void)saleTickWithOsUnfairLock {
while(1) {
// 加锁
os_unfair_lock_lock(&unfairLock);
if (self.ticketSurplusCount > 0) {
self.ticketSurplusCount--;
cnt++;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
} else {
NSLog(@"所有火车票均已售完,共售出%d张票", cnt);
// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&unfairLock);
break;
}
// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&unfairLock);
}
}
运行结果:
关于它的定义:
可以看到这里的解释是,不是旋转(忙等),而是休眠,等待被唤醒,所以os_unfair_lock
理应是互斥锁。
pthread_mutex
pthread_mutex
就是 互斥锁 本身——当锁被占用,而其他线程申请锁时,不是使用忙等,而是阻塞线程并睡眠,另外pthread_mutex
也是非递归的锁。
使用时我们需要先引用这个头文件:#import <pthread.h>
具体使用如下:
// 全局声明互斥锁
pthread_mutex_t _lock;
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&_lock, NULL);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&_lock);
// 这里做需要线程安全操作
// ...
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&_lock);
// 释放锁
pthread_mutex_destroy(&_lock);
运行结果如下:
结果就是按照顺序非常规范地卖出了这50张票。
NSLock
我们的Foundation
框架内部也是有一把NSLock
锁的,使用起来非常方便,基于互斥锁pthroad_mutex
封装而来,是一把互斥非递归锁。
使用如下:
//初始化NSLock
NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
//加锁
[lock lock];
...
//线程安全执行的代码
...
//解锁
[lock unlock];
实际使用(在卖票例子中):
- (void)saleTickWithNSLock {
while(1) {
// 加锁
[lock lock];
if (self.ticketSurplusCount > 0) { // 如果还有票,继续售卖
self.ticketSurplusCount--;
cnt++;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
} else { // 如果已卖完,关闭售票窗口
NSLog(@"所有火车票均已售完,共售出%d张票", cnt);
// 解锁
[lock unlock];
break;
}
// 解锁
[lock unlock];
}
}
运行结果如下:
结果就是按照顺序非常规范地卖出了这50张票。
如果对非递归锁强行使用递归调用,就会在调用时发生线程阻塞,而并非是死锁,第一次加锁之后还没出锁就进行递归调用,第二次加锁就堵塞了线程。
苹果官方文档的描述如下:
可以看到在同一线程上调用两次NSLock
的lock
方法将会永久锁定线程。同时也重点提醒向NSLock
对象发生解锁消息时,必须确保消息时从发送初始锁定消息的同一个线程发送的,否则就会产生未知问题。
非递归互斥锁导致线程阻塞的例子:
- (void)saleTickWithNSLock {
while(1) {
// 加锁
[lock lock];
if (self.ticketSurplusCount > 0) { // 如果还有票,继续售卖
self.ticketSurplusCount--;
cnt++;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
} else { // 如果已卖完,关闭售票窗口
NSLog(@"所有火车票均已售完,共售出%d张票", cnt);
// 解锁
break;
}
// 解锁
}
}
运行结果如下:
可以看到,因为我们对当前这个线程在执行lock
操作后还未unlock
的情况下,又进行了NSLock
的重复lock
加锁操作,所以当前线程发生了阻塞,只进行了一次卖票操作就再不执行其他操作了。
NSRecusiveLock
NSRecursiveLock
使用和NSLock
类似,不过NSRecursiveLock
是递归互斥锁。
//初始化NSLock
NSRecusiveLock *recusiveLock = [[NSRecusiveLock alloc] init];
//加锁
[recusiveLock lock];
...
//线程安全执行的代码
...
//解锁
[recusiveLock unlock];
下面我们举一个NSRecursiveLock递归使用的例子:
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, assign) NSInteger ticketSurplusCount;
@property (nonatomic, strong) NSRecursiveLock *recursiveLock;
@end
//卖票窗口(此处我们循环创建十个窗口,但是都是在同一线程中执行)
- (void)threadBlock {
//一共50张票
self.ticketSurplusCount = 50;
//初始化NSRecursiveLock递归锁
_recursiveLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
__weak typeof (self) weakSelf = self;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
[weakSelf saleTicket];
});
}
}
//卖票的函数
- (void)saleTicket {
//加锁
[_recursiveLock lock];
if (self.ticketSurplusCount > 0) { // 如果还有票,继续售卖
self.ticketSurplusCount--;
cnt++;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
//递归调用卖票函数
[self saleTicket];
} else { // 如果已卖完,关闭售票窗口
NSLog(@"所有火车票均已售完,共售出%d张票", cnt);
}
//解锁
[_recursiveLock unlock];
}
运行结果如下:
可以看到向同一个线程多次获取递归锁NSRecusiveLock并不会导致程序死锁,而是正常的线程安全地加锁执行。
苹果官方文档的描述如下:
同一线程可以多次获取而不会导致死锁的锁,重点是在同一线程。
举一个不同线程获取锁导致死锁的例子:
- (void) recursiveDeadlocksWithValue:(int)value {
[recursiveLock lock];
NSLog(@"%d---%@", value, [NSThread currentThread]);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_group_enter(group);
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
if (value > 0) {
[self recursiveDeadlocksWithValue:value - 1];
}
dispatch_group_leave(group);
});
dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
[recursiveLock unlock];
}
可以看到里面的线程想要获取锁就必须等待外面的线程释放锁,而外面的线程释放锁需要等待里面的线程完成任务,导致互相等待死锁。
NSCondition
NSCondition
是一个条件锁,同时其实也是一个非递归互斥锁,可能平时用的不多,但与GCD
信号量相似:线程1需要等到条件1满足才会往下走,否则就会堵塞等待,直至条件满足,一旦获得了锁并执行了代码的关键部分,线程就可以放弃该锁并将关联条件设置为新的条件。条件本身是任意的:可以根据应用程序的需要定义它们。
Objective-C
代码并不能看到NSCondition
的具体实现,只能看到该类的接口部分,实现部分需要使用swift
源码进行查看:
OC接口部分:
@interface NSCondition : NSObject <NSLocking> {
@private
void *_priv;
}
- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;
@property (nullable, copy) NSString *name API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
@end
swift实现部分:
open class NSCondition: NSObject, NSLocking {
internal var mutex = _MutexPointer.allocate(capacity: 1)
internal var cond = _ConditionVariablePointer.allocate(capacity: 1)
public override init() {
pthread_mutex_init(mutex, nil)
pthread_cond_init(cond, nil)
}
deinit {
pthread_mutex_destroy(mutex)
pthread_cond_destroy(cond)
mutex.deinitialize(count: 1)
cond.deinitialize(count: 1)
mutex.deallocate()
cond.deallocate()
}
// 一般用于多线程同时访问、修改同一个数据源,保证在同一 时间内数据源只被访问、修改一次,
// 其他线程的命令需要在lock 外等待,只到 unlock ,才可访问
open func lock() {
pthread_mutex_lock(mutex)
}
// 释放锁,与lock成对出现
open func unlock() {
pthread_mutex_unlock(mutex)
}
// 让当前线程处于等待状态,阻塞
open func wait() {
pthread_cond_wait(cond, mutex)
}
// 让当前线程等待到某个时间,阻塞
open func wait(until limit: Date) -> Bool {
guard var timeout = timeSpecFrom(date: limit) else {
return false
}
return pthread_cond_timedwait(cond, mutex, &timeout) == 0
}
// 发信号告诉线程可以继续执行,唤醒线程
open func signal() {
pthread_cond_signal(cond)
}
//唤醒所有正在等待的线程
open func broadcast() {
pthread_cond_broadcast(cond) // wait signal
}
open var name: String?
}
可以看到,该对象还是对pthread_mutex
的一层封装,NSCondition
也是一种互斥锁。当我们需要等待某个条件的时候,也就是条件不满足的时候,就可以使用wait
方法来阻塞线程,当条件满足了,使用signa
l方法发送信号唤醒线程。
再浅浅总结一下:
NSCondition
是对mutex
和cond
的一种封装(cond
就是用于访问和操作特定类型数据的指针)。wait
操作会阻塞线程,使其进入休眠状态,直至超时。signal
操作是唤醒一个正在休眠等待的线程。broadcast
会唤醒所有正在等待的线程。
实际使用(在卖票例子中):
//售票的方法
- (void)saleTicketSafeWithConditionLock {
while (1) {
// 加锁
[_condition lock];
if (self.ticketSurplusCount > 0) { // 如果还有票,继续售卖
self.ticketSurplusCount--;
cnt++;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread]]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
} else { // 如果已卖完,关闭售票窗口
NSLog(@"所有火车票均已售完,共售出%d张票", cnt);
// 解锁
[_condition unlock];
break;
}
// 解锁
[_condition unlock];
}
}
运行结果:
结果就是按照顺序非常规范地卖出了这50张票。
NSConditionLock
NSConditionLock
对NSCondition
又做了一层封装,自带条件探测,能够更简单灵活的使用,所以它也属于非递归互斥锁。
然后我们来看一看NSConditionLock
的相关源码:
和NSCondition
的源码一样,在OC中看接口,在swift
中看实现:
OC的接口部分:
@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;
@property (nullable, copy) NSString *name API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
@end
swift中实现:
internal var _cond = NSCondition()
internal var _value: Int
internal var _thread: _swift_CFThreadRef?
public convenience override init() {
self.init(condition: 0)
}
public init(condition: Int) {
_value = condition
}
// 表示 xxx 期待获得锁,
// 如果没有其他线程获得锁(不需要判断内部的 condition) 那它能执行此行以下代码,
// 如果已经有其他线程获得锁(可能是条件锁,或者无条件 锁),则等待,直至其他线程解锁
open func lock() {
let _ = lock(before: Date.distantFuture)
}
open func unlock() {
_cond.lock()
_thread = nil
_cond.broadcast()
_cond.unlock()
}
open var condition: Int {
return _value
}
// 表示如果没有其他线程获得该锁,但是该锁内部的 condition不等于A条件,它依然不能获得锁,仍然等待。
// 如果内部的condition等于A条件,并且没有其他线程获得该锁,则执行任务,同时设置它获得该锁
// 其他任何线程都将等待它代码的完成,直至它解锁。
open func lock(whenCondition condition: Int) {
let _ = lock(whenCondition: condition, before: Date.distantFuture)
}
open func `try`() -> Bool {
return lock(before: Date.distantPast)
}
open func tryLock(whenCondition condition: Int) -> Bool {
return lock(whenCondition: condition, before: Date.distantPast)
}
// 表示释放锁,同时把内部的condition设置为A条件
open func unlock(withCondition condition: Int) {
_cond.lock()
_thread = nil
_value = condition
_cond.broadcast()
_cond.unlock()
}
open func lock(before limit: Date) -> Bool {
_cond.lock()
while _thread != nil {
if !_cond.wait(until: limit) {
_cond.unlock()
return false
}
}
_thread = pthread_self()
_cond.unlock()
return true
}
// 表示如果被锁定(没获得 锁),并超过该时间则不再阻塞线程。
// 需要注意的是:返回的值是NO,它没有改变锁的状态,这个函数的目的在于可以实现两种状态下的处理
open func lock(whenCondition condition: Int, before limit: Date) -> Bool {
_cond.lock()
while _thread != nil || _value != condition {
if !_cond.wait(until: limit) {
_cond.unlock()
return false
}
}
_thread = pthread_self()
_cond.unlock()
return true
}
open var name: String?
可以看出,触发的唤醒线程的条件是传入的condition
取值,和我们创建锁的时候值要相同,我们可以在释放当前线程锁的时候重新设置其他线程传入的condition
值,这样也就达到了唤醒其他线程的目的。如果创建锁的值和传入的值都不能匹配,则会进入阻塞状态
也就是说NSConditionLock
在init
、lock
、unlock
中都可以传入value。
例:
- (void)conditionLockTest {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
//调用测试函数
[self test];
//修改Condition参数值为3
[self.conditionLock lockWhenCondition:0];
[self.conditionLock unlockWithCondition:3];
}
return;
}
//测试函数
- (void)test {
self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:3];
dispatch_queue_t globalQ = dispatch_get_global_queue(0, 0);
dispatch_async(globalQ, ^{
[self.conditionLock lockWhenCondition:3];
NSLog(@"任务1");
[self.conditionLock unlockWithCondition:2];
});
dispatch_async(globalQ, ^{
[self.conditionLock lockWhenCondition:2];
NSLog(@"任务2");
[self.conditionLock unlockWithCondition:1];
});
dispatch_async(globalQ, ^{
[self.conditionLock lockWhenCondition:1];
NSLog(@"任务3");
[self.conditionLock unlockWithCondition:0];
});
}
运行结果:
我们看到每次打印的结果都是严格按照任务1、任务2、任务3执行的。
总结NSConditionLock
和NSCondition
:
相同点:
- 都是互斥锁。
- 通过条件变量来控制加锁、释放锁,从而达到阻塞线程、唤醒线程的目的。
不同点:
NSCondition
是基于对pthread_mutex
的封装,而NSConditionLock
是对NSCondition
做了一层封装。NSCondition
是需要手动让线程进入等待状态阻塞线程、释放信号唤醒线程,NSConditionLock
则只需要外部传入一个值,就会依据这个值进行自动判断是阻塞线程还是唤醒线程。
Semaphore信号量
Semaphore
信号量也可以解决线程安全问题,GCD 中的信号量是指 Dispatch Semaphore
,是持有计数的信号。类似于过高速路收费站的栏杆。可以通过时,打开栏杆,不可以通过时,关闭栏杆。在 Dispatch Semaphore
中,使用计数来完成这个功能,计数小于 0 时需要等待,不可通过。计数为 0 或大于 0 时,不用等待可通过。计数大于 0 且计数减 1 时不用等待,可通过。
Dispatch Semaphore
提供了三个方法:
dispatch_semaphore_create://创建一个 Semaphore 并初始化信号的总量
dispatch_semaphore_signal://发送一个信号,让信号总量加 1
dispatch_semaphore_wait://可以使总信号量减 1,信号总量小于 0 时就会一直等待(阻塞所在线程),否则就可以正常执行。
注意: 信号量的使用前提是:想清楚你需要处理哪个线程等待(阻塞),又要哪个线程继续执行,然后使用信号量
Dispatch Semaphore
在实际开发中主要用于:
- 保持线程同步,将异步执行任务转换为同步执行任务。
- 保证线程安全,为线程加锁。
@synchronized
@synchronized
可能是日常开发中用的比较多的一种递归互斥锁,因为它的使用比较简单,但并不是在任意场景下都能使用@synchronized
,且它的性能较低。
使用方法如下:
@synchronized (obj) {}
下面我们来探索一下@synchronized
的源码:
- 通过汇编能发现
@synchronized
就是实现了objc_sync_enter
和objc_sync_exit
两个方法。 - 通过符号断点能知道这两个方法都是在
objc
源码中的。 - 通过clang也能得到一些信息。
#pragma clang assume_nonnull end
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
{ id _rethrow = 0; id _sync_obj = (id)__null; 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_6p_mn3hwpz14_7dg_gr79rtm4n80000gn_T_main_59328a_mi_0);
} 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);}
}
}
return 0;
}