怎么檢測項目中的Data race？

下面就進(jìn)入正題簡單聊一聊iOS中的鎖，以及相關(guān)的內(nèi)容（由于本人能力有限，文中難免有一些遺漏或者錯誤，請各位看官不吝賜教！謝謝！??)

簡單的性能測試

下圖是我針對iOS中的鎖自己測試得出的，圖中數(shù)字代表每次加解鎖需要消耗的時間，單位為ns。代碼在這里，代碼參考自YY大神的不再安全的 OSSpinLock，基本跟YY大神的圖差不多??，YY大神的單位是μs，應(yīng)該是1000次的，或者寫錯了吧~

LockPerformance.jpg

• 注：運行手機： iphone6s plus ，系統(tǒng)版本：11.2.2，Xcode9.2；數(shù)字的單位為ns（得出的具體數(shù)值是跑了多次取的均值）。

值得注意的是：1.這個數(shù)字僅僅代表每次加解鎖的耗時，并不能全方面的代表性能。2.不同的機型和系統(tǒng)，不同的循環(huán)次數(shù)可能結(jié)果會略微有些差異。
但是還是可以看出@synchronized:是表現(xiàn)最差的。

在具體說這些鎖之前，先來說幾個概念定義：(參考維基百科)

1. 臨界區(qū)：指的是一塊對公共資源進(jìn)行訪問的代碼，并非一種機制或是算法。

2. 自旋鎖：是用于多線程同步的一種鎖，線程反復(fù)檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過程中保持執(zhí)行，因此是一種忙等待。一旦獲取了自旋鎖，線程會一直保持該鎖，直至顯式釋放自旋鎖。 自旋鎖避免了進(jìn)程上下文的調(diào)度開銷，因此對于線程只會阻塞很短時間的場合是有效的。

3. 互斥鎖（Mutex）：是一種用于多線程編程中，防止兩條線程同時對同一公共資源（比如全局變量）進(jìn)行讀寫的機制。該目的通過將代碼切片成一個一個的臨界區(qū)而達(dá)成。

4. 讀寫鎖：是計算機程序的并發(fā)控制的一種同步機制，也稱“共享-互斥鎖”、多讀者-單寫者鎖) 用于解決多線程對公共資源讀寫問題。讀操作可并發(fā)重入，寫操作是互斥的。 讀寫鎖通常用互斥鎖、條件變量、信號量實現(xiàn)。

5. 信號量（semaphore）：是一種更高級的同步機制，互斥鎖可以說是semaphore在僅取值0/1時的特例。信號量可以有更多的取值空間，用來實現(xiàn)更加復(fù)雜的同步，而不單單是線程間互斥。

6. 條件鎖：就是條件變量，當(dāng)進(jìn)程的某些資源要求不滿足時就進(jìn)入休眠，也就是鎖住了。當(dāng)資源被分配到了，條件鎖打開，進(jìn)程繼續(xù)運行。

互斥鎖

1.NSLock：是Foundation框架中以對象形式暴露給開發(fā)者的一種鎖，（Foundation框架同時提供了NSConditionLock，NSRecursiveLock，NSCondition）NSLock定義如下：

@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 方法都會請求加鎖，唯一不同的是trylock在沒有獲得鎖的時候可以繼續(xù)做一些任務(wù)和處理。lockBeforeDate方法也比較簡單，就是在limit時間點之前獲得鎖，沒有拿到返回NO。
實際項目中：NSLock在AFNetworking的AFURLSessionManager.m中應(yīng)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：
實際項目中： 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:
實際項目中：AFNetworking中 isNetworkActivityOccurring屬性的getter方法

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

關(guān)于 @synchronized推薦擴展閱讀 關(guān)于 @synchronized，這兒比你想知道的還要多

自旋鎖

1.OSSpinLock:

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

上面是OSSpinLock使用方式，編譯會報警告，已經(jīng)廢棄了，OSSpinLock大家也已經(jīng)不再用它了，因為它在某一些場景下已經(jīng)不安全了，可以參考 YY大神的不再安全的 OSSpinLock，在Protocol Buffers項目中你可以看到這樣的注釋，大家已經(jīng)用新的方案替換了。

 // 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

os_unfair_lock:(互斥鎖)
os_unfair_lock 是蘋果官方推薦的替換OSSpinLock的方案，但是它在iOS10.0以上的系統(tǒng)才可以調(diào)用。os_unfair_lock是一種互斥鎖，它不會向自旋鎖那樣忙等，而是等待線程會休眠。

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

讀寫鎖

上文有說到，讀寫鎖又稱共享-互斥鎖，
pthread_rwlock：

//加讀鎖
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
//解鎖
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
//加寫鎖
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
//解鎖
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

遞歸鎖

遞歸鎖有一個特點，就是同一個線程可以加鎖N次而不會引發(fā)死鎖。
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鎖也支持遞歸，只需要設(shè)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);

條件鎖

1. NSCondition:
定義：

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

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

遵循NSLocking協(xié)議，使用的時候同樣是lock,unlock加解鎖，wait是傻等，waitUntilDate:方法是等一會，都會阻塞掉線程，signal是喚起一個在等待的線程，broadcast是廣播全部喚起。

NSCondition *lock = [[NSCondition alloc] init];
//Son 線程
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線程
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:
定義：

@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;

很簡單，方法很清晰，基本同上。

信號量

dispatch_semaphore:
dispatch_semaphore在YYKit中的YYThreadSafeArray.m有所應(yīng)用，YY大神有這樣一句注釋：

@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);

總結(jié)：

其實本文寫的都是一些再基礎(chǔ)不過的內(nèi)容，在平時閱讀一些開源項目的時候經(jīng)常會遇到一些保持線程同步的方式，因為場景不同可能選型不同，這篇就做一下簡單的記錄吧~我相信讀完這篇你應(yīng)該能根據(jù)不同場景選擇合適的鎖了吧、能夠道出自旋鎖和互斥鎖的區(qū)別了吧。

最后：

由于本人能力有限，文中難免有一些遺漏或者錯誤，請各位看官不吝賜教！謝謝！同時有任何關(guān)于鎖相關(guān)的疑問可以瘋狂留言，一起交流，一起進(jìn)步~?? 祝大家每天都能進(jìn)步一點點~

擴展閱讀：

1. 不再安全的 OSSpinLock????
2. 深入理解 iOS 開發(fā)中的鎖????
3. 關(guān)于 @synchronized，這兒比你想知道的還要多??????
4. pthread的各種同步機制- Casa Taloyum????
5. Threading Programming Guide