iOS的多线程安全隐患与线程同步方案

iOS的多线程安全隐患与线程同步方案

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/2501_90211161/article/details/145086100

在iOS开发中，多线程编程是一个非常重要的主题。然而，多线程也带来了安全隐患，比如数据竞争、死锁等问题。为了解决这些问题，iOS提供了多种线程同步方案。本文将详细介绍这些方案及其使用场景。

隐患分析

解决方案

1. 使用线程同步技术（同步，就是协同步调，按预定的先后次序进行）
2. 常见的线程同步技术是：加锁

经典案例

买票、存钱取钱、生产消费关系。

多线程同步解决方案

OSSpinLock 自旋锁

1. OSSpinLock叫做”自旋锁”，等待锁的线程会处于忙等（busy-wait）状态，一直占用着CPU资源。
2. 目前已经不再安全，可能会出现优先级反转问题。
3. 如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用着CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁。
4. 需要导入头文件

   #import <libkern/OSAtomic.h>
   

os_unfair_lock 互斥锁

1. os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock，从iOS10开始才支持。
2. 从底层调用看，等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态，并非忙等。
3. 需要导入头文件

   #import <os/lock.h>
   

pthread_mutex

1. mutex叫做”互斥锁”，等待锁的线程会处于休眠状态。
2. 需要导入头文件

   #import <pthread.h>
   

pthread_mutex - 普通锁

// 初始化锁的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
/**
 * @param attr:参数
 * @param type:锁的类型，传NULL也是默认
 */
pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_NORMAL);

//锁的类型
#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL 0 // 普通锁
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 1 // 检测错误的锁
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 2  // 递归锁
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT PTHREAD_MUTEX_NORMAL

// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex,&attr);
// 尝试加锁
pthread_mutex_trylock(&mutex);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 销毁相关资源
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
pthread_mutex_destroy(&mutex);

pthread_mutex - 条件锁

// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
// NULL代表默认属性
pthread_mutexattr_settype(&attr, NULL);
// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

// 初始化条件
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);

// 等待条件（进入休眠，放开mutex锁；被唤醒后，会再次对mutex加锁）
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
// 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_boradcast(&cond);

// 销毁相关资源
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);

适用案例：生产-消费模式

pthread_mutex - 递归锁

如果线程1已经对这把锁进行加锁了，线程2也调用发现这把锁被别的线程加锁了，所以线程2就不能加锁,线程2就会在这里等待。

// 初始化这把锁带有的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
// 设置这把锁属性的类型：
// PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE递归锁，允许同一个线程对同一把锁进行重复加锁
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(mutex, &attr);

// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
// 销毁锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);

NSLock、NSRecursiveLock

1. NSLock是对mutex普通锁的封装。
2. NSRecursiveLock是对mutex递归锁的封装，API跟NSLock基本一致。

NSCondition、NSConditionLock

1. NSCondition是对条件锁（mutex和cond）的封装。
2. NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值

@interface Demo()
@property (strong, nonatomic) NSConditionLock *conditionLock;
@end
@implementation Demo
- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];
    }
    return self;
}
- (void)test {
        // 1、当首个加锁触发没有添加条件时，那么在初始化的时候，不管设置什么条件，都能正常执行
    [self.conditionLock lock];
    // 2、如果有加条件，那么必须跟设置的条件匹配
    // [self.conditionLock lockWhenCondition:1];
    
    NSLog(@"test");
    sleep(1);
    
    [self.conditionLock unlockWithCondition:2];
}
@end

dispatch_semaphore 信号量

1. semaphore叫做”信号量”。
2. 信号量的初始值，可以用来控制线程并发访问的最大数量。
3. 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。

// 信号量初始值
int value = 5;
// 初始化信号量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
/**
 * 1、如果信号量的值 > 0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
 * 2、如果信号量的值 <= 0，就会休眠等待，直到信号量的值变成 > 0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
 */
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 让信号量的值加1
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

dispatch_queue

直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步。

@interface Demo()
@property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t myQueue;
@end
@implementation Demo
- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        self.myQueue = dispatch_queue_create("myQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    }
    return self;
}
- (void)test1 {
    dispatch_sync(self.myQueue, ^{
        NSLog(@"%s",__func__);
    });
}
![](https://wy-static.wenxiaobai.com/chat-rag-image/649201592254738452)
- (void)test2 {
    dispatch_sync(self.myQueue, ^{
        NSLog(@"%s",__func__);
    });
}
@end

@synchronized（不推荐）

1. @synchronized是对mutex递归锁的封装。
2. 源码查看：objc4中的objc-sync.mm文件。
3. @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作。

atomic 原子性（不推荐）

1. atomic用于保证属性setter、getter的原子性操作，相当于在getter和setter内部加了线程同步的锁。
2. 可以参考源码objc4的objc-accessors.mm。
3. 不能保证使用属性的过程是线程安全的。

读写安全

场景：

1. 同一时间，只能有1个线程进行写的操作
2. 同一时间，允许有多个线程进行读的操作
3. 同一时间，不允许既有写的操作，又有读的操作

上面的场景就是典型的“多读单写”，经常用于文件等数据的读写操作，iOS中的实现方案有：

1. pthread_rwlock：读写锁
2. dispatch_barrier_async：异步栅栏调用

pthread_rwlock_t - 读写锁

读写锁：是计算机程序并发控制的一种同步机制，用于解决读写问题。读写锁允许并行读、串行写。与互斥锁的一次只有一个线程执行操作相比，性能更高。比如构建缓存系统，将网络资源写入缓存，后期从缓存读取资源。缓存系统必须线程安全，允许并行读取，串行写入（又称多读单写）。

// 初始化锁
pthread_rwlock_t lock;
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);

// 读 - 加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读 - 尝试加锁
pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);

// 写 - 加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写 - 尝试加锁
pthread_rwlock_trywrlock(&lock);

// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 毁锁
pthread_rwlock_destroy(&lock);

dispatch barrier - 异步栅栏

在保护临界区域时，GCD提供了dispatch barrier。当执行 barrier 任务时，队列中所有其他任务都会等待。没有执行 barrier 任务时，其他任务并行执行。

代码示例：

#import "ViewController.h"
#import <pthread.h>
@interface ViewController ()
@property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t queue;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    /**
    * 1、必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
    * 2、如果传入的是串行或全局的并发队列，那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果
    */
    self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
        
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
        
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
        
        dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
            [self write];
        });
    }
}
- (void)read {
    sleep(1);
    NSLog(@"read");
}
- (void)write {
    sleep(1);
    NSLog(@"write");
}
@end

线程同步方案性能比较

性能从高到低排序：

1. os_unfair_lock：官方自旋锁的替代方案
2. OSSpinLock：自旋锁，不安全，官方不推荐使用
3. dispatch_semaphore：信号量
4. pthread_mutex：mutex普通锁、条件锁
5. dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)：GCD串行队列实现同步