在iOS編碼中，鎖的出現其實是因為多線程會出現線程安全的問題。那么，問題來了，什么是線程安全？為什么鎖可以解決線程安全問題？單線程是不是絕對的線程安全？iOS編程有多少種鎖？加解鎖的效率如何？......
一、什么是線程安全？
WIKI: Thread-safe code only manipulates shared data structures in a manner that ensures that all threads behave properly and fulfil their design specifications without unintended interaction.
用人話來說：多線程操作共享數據不會出現想不到的結果就是線程安全的，否則，是線程不安全的。
舉個例子：
NSInteger total = 0;
- (void)threadNotSafe {
for (NSInteger index = 0; index < 3; index++) {
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
total += 1;
NSLog(@"total: %ld", total);
total -= 1;
NSLog(@"total: %ld", total);
});
}
}
//第一次輸出：
2017-11-28 23:34:11.551570+0800 BasicDemo[75679:5312246] total: 1
2017-11-28 23:34:11.551619+0800 BasicDemo[75679:5312248] total: 3
2017-11-28 23:34:11.551618+0800 BasicDemo[75679:5312249] total: 2
2017-11-28 23:34:11.552120+0800 BasicDemo[75679:5312246] total: 2
2017-11-28 23:34:11.552143+0800 BasicDemo[75679:5312248] total: 1
2017-11-28 23:34:11.552171+0800 BasicDemo[75679:5312249] total: 0
//第二次輸出
2017-11-28 23:34:55.738947+0800 BasicDemo[75683:5313401] total: 1
2017-11-28 23:34:55.738979+0800 BasicDemo[75683:5313403] total: 2
2017-11-28 23:34:55.738985+0800 BasicDemo[75683:5313402] total: 3
2017-11-28 23:34:55.739565+0800 BasicDemo[75683:5313401] total: 2
2017-11-28 23:34:55.739570+0800 BasicDemo[75683:5313402] total: 1
2017-11-28 23:34:55.739577+0800 BasicDemo[75683:5313403] total: 0
NSInteger total = 0;
NSLock *lock = [NSLock new];
- (void)threadSafe {
for (NSInteger index = 0; index < 3; index++) {
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
[lock lock];
total += 1;
NSLog(@"total: %ld", total);
total -= 1;
NSLog(@"total: %ld", total);
[lock unlock];
});
}
}
//第一次輸出
2017-11-28 23:35:37.696614+0800 BasicDemo[75696:5314483] total: 1
2017-11-28 23:35:37.696928+0800 BasicDemo[75696:5314483] total: 0
2017-11-28 23:35:37.696971+0800 BasicDemo[75696:5314481] total: 1
2017-11-28 23:35:37.696995+0800 BasicDemo[75696:5314481] total: 0
2017-11-28 23:35:37.697026+0800 BasicDemo[75696:5314482] total: 1
2017-11-28 23:35:37.697050+0800 BasicDemo[75696:5314482] total: 0
//第二次輸出
2017-11-28 23:36:01.790264+0800 BasicDemo[75700:5315159] total: 1
2017-11-28 23:36:01.790617+0800 BasicDemo[75700:5315159] total: 0
2017-11-28 23:36:01.790668+0800 BasicDemo[75700:5315161] total: 1
2017-11-28 23:36:01.790687+0800 BasicDemo[75700:5315161] total: 0
2017-11-28 23:36:01.790711+0800 BasicDemo[75700:5315160] total: 1
2017-11-28 23:36:01.790735+0800 BasicDemo[75700:5315160] total: 0
第一個函數第一次和第二次調用的結果不一樣，換句話說，不能確定代碼的運行順序和結果，是線程不安全的；第二個函數第一次和第二次輸出結果一樣，可以確定函數的執行結果，是線程安全的。
居于線程安全的含義，知道線程安全是相對于多線程而言的，單線程不會存在線程安全問題。因為，單線程代碼的執行順序是確定的，可以知道代碼的執行結果。
二、鎖鎖鎖??
線程不安全是由于多線程訪問造成的，那么如何解決？
1.既然線程安全問題是由多線程引起的，那么，最極端的可以使用單線程保證線程安全。
2.線程安全是由于多線程訪問和修改共享資源而引起不可預測的結果，因此，如果都是訪問共享資源而不去修改共享資源也可以保證線程安全，比如：設置只讀屬性的全局變量。
3.使用鎖。
引用 ibireme 在《不再安全的 OSSpinLock》中的一張圖片說明加解鎖的效率：
我也下載了 ibireme 在 GitHub 上面的Demo來跑過（環境 iPhone6 iOS11.1）。發現，不同的循環次數，結果都不一樣，并沒有得到和 ibireme 一樣的結果。所以，上面的柱狀圖也只做一個定向分析，并不是很準確的結果。
下面會對這些鎖的實現原理和用法做簡單的總結和處理（詳細的實現原理，可以看 bestswift 的這篇文章《深入理解 iOS 開發中的鎖》）：
OSSpinLock：
自旋鎖的實現原理比較簡單，就是死循環。當a線程獲得鎖以后，b線程想要獲取鎖就需要等待a線程釋放鎖。在沒有獲得鎖的期間，b線程會一直處于忙等的狀態。如果a線程在臨界區的執行時間過長，則b線程會消耗大量的cpu時間，不太劃算。所以，自旋鎖用在臨界區執行時間比較短的環境性能會很高。
自旋鎖的代碼實現：
#import <libkern/OSAtomic.h>
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
OSSpinLockLock(&lock);
//需要執行的代碼
OSSpinLockUnlock(&lock);
//OSSPINLOCK_DEPRECATED_REPLACE_WITH(os_unfair_lock)
//蘋果在OSSpinLock注釋表示被廢棄，改用不安全的鎖替代
dispatch_semaphore：
dispatch_semaphore實現的原理和自旋鎖有點不一樣。首先會先將信號量減一，并判斷是否大于等于0，如果是，則返回0，并繼續執行后續代碼，否則，使線程進入睡眠狀態，讓出cpu時間。直到信號量大于0或者超時，則線程會被重新喚醒執行后續操作。
dispatch_semaphore_t lock = dispatch_semaphore_create(1); //傳入的參數必須大于或者等于0，否則會返回Null
long wait = dispatch_semaphore_wait(lock, DISPATCH_TIME_FOREVER); //wait = 0，則表示不需要等待，直接執行后續代碼；wait != 0，則表示需要等待信號或者超時，才能繼續執行后續代碼。lock信號量減一，判斷是否大于0，如果大于0則繼續執行后續代碼；lock信號量減一少于或者等于0，則等待信號量或者超時。
//需要執行的代碼
long signal = dispatch_semaphore_signal(lock); //signal = 0，則表示沒有線程需要其處理的信號量，換句話說，沒有需要喚醒的線程；signal != 0，則表示有一個或者多個線程需要喚醒，則喚醒一個線程。（如果線程有優先級，則喚醒優先級最高的線程，否則，隨機喚醒一個線程。）
pthread_mutex：
pthread_mutex表示互斥鎖，和信號量的實現原理類似，也是阻塞線程并進入睡眠，需要進行上下文切換。
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init(&lock, &attr); //設置屬性
pthread_mutex_lock(&lock); //上鎖
//需要執行的代碼
pthread_mutex_unlock(&lock); //解鎖
NSLock：
NSLock在內部封裝了一個 pthread_mutex，屬性為 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK。
NSLock *lock = [NSLock new];
[lock lock];
//需要執行的代碼
[lock unlock];
NSCondition：
NSCondition封裝了一個互斥鎖和條件變量。互斥鎖保證線程安全，條件變量保證執行順序。
NSCondition *lock = [NSCondition new];
[lock lock];
//需要執行的代碼
[lock unlock];
pthread_mutex(recursive)：
pthread_mutex鎖的一種，屬于遞歸鎖。一般一個線程只能申請一把鎖，但是，如果是遞歸鎖，則可以申請很多把鎖，只要上鎖和解鎖的操作數量就不會報錯。
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init(&lock, &attr); //設置屬性
pthread_mutex_lock(&lock); //上鎖
//需要執行的代碼
pthread_mutex_unlock(&lock); //解鎖
NSRecursiveLock：
遞歸鎖，pthread_mutex(recursive)的封裝。
NSRecursiveLock *lock = [NSRecursiveLock new];
[lock lock];
//需要執行的代碼
[lock unlock];
NSConditionLock：
NSConditionLock借助 NSCondition 來實現，本質是生產者-消費者模型。
NSConditionLock *lock = [NSConditionLock new];
[lock lock];
//需要執行的代碼
[lock unlock];
@synchronized：
一個對象層面的鎖，鎖住了整個對象，底層使用了互斥遞歸鎖來實現。
NSObject *object = [NSObject new];
@synchronized(object) {
//需要執行的代碼
}
三、總結
這里只是一些簡單的總結，更多深入的研究請自行 Google。
參考：
深入理解 iOS 開發中的鎖
不再安全的 OSSpinLock
Threading Programming Guide
關于 @synchronized，這兒比你想知道的還要多
OS中保證線程安全的幾種方式與性能對比
iOS 常見知識點（三）：Lock
iOS多線程到底不安全在哪里？
