iOS防止數據競爭

本文主要引自iOS開發中的11種鎖以及性能對比
數據競爭的定義很簡單：當至少有兩個線程同時訪問同一個變量，而且至少其中有一個是寫操作時，就發生了數據競爭。所以這是就要利用一些同步機制來確保數據的準確性，鎖就是同步機制中的一種。
怎么檢測項目中的數據競爭？


只需要在設置中勾選Thread Sanitizer即可，順便可以勾選Pause on issues就可以斷點到相應的代碼。

簡單的性能測試

下圖是原文作者針對iOS中的鎖自己測試得出的，圖中數字代表每次加解鎖需要消耗的時間，單位為ns。代碼在這里

圖片.png

  • 注：運行手機： iphone6s plus ，系統版本：11.2.2，Xcode9.2；數字的單位為ns（得出的具體數值是跑了多次取的均值）。
    值得注意的是：1.這個數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，不同的循環次數可能結果會略微有些差異。
    但是還是可以看出@synchronized:是表現最差的。

在具體說這些鎖之前，先來說幾個概念定義：

  • 臨界區：指的是一塊對公共資源進行訪問的代碼，并非一種機制或是算法。
  • 自旋鎖：是用于多線程同步的一種鎖，線程反復檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過程中保持執行，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。 自旋鎖避免了進程上下文的調度開銷，因此對于線程只會阻塞很短時間的場合是有效的。
  • 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而達成。
  • 讀寫鎖：是計算機程序的并發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。
  • 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，用來實現更加復雜的同步，而不單單是線程間互斥。
  • 條件鎖：就是條件變量，當進程的某些資源要求不滿足時就進入休眠，也就是鎖住了。當資源被分配到了，條件鎖打開，進程繼續運行。

iOS開發中用到的鎖

  • 互斥鎖

1.NSLock：

是Foundation框架中以對象形式暴露給開發者的一種鎖，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做一些任務和處理。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;
    }
}

關于 @synchronized推薦擴展閱讀 關于 @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，已經廢棄了，OSSpinLock大家也已經不再用它了，因為它在某一些場景下已經不安全了，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以上的系統才可以調用。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);
最后編輯于 ：
?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯系作者
平臺聲明：文章內容（如有圖片或視頻亦包括在內）由作者上傳并發布，文章內容僅代表作者本人觀點，簡書系信息發布平臺，僅提供信息存儲服務。

推薦閱讀更多精彩內容

  • 前言 在多線程開發中，常會遇到多個線程訪問修改數據。為了防止數據不一致或數據污染，通常采用加鎖機制來保證線程安全。...
    趙夢楠閱讀 990評論 0贊 5
  • 一、線程鎖相關概念 線程鎖：我們在使用多線程的時候多個線程可能會訪問同一塊資源，這樣就很容易引發數據錯亂和數據安全...
    2525252472閱讀 417評論 0贊 2
  • 轉自(https://bestswifter.com/ios-lock/#) 深入理解 iOS 開發中的鎖 摘要 ...
    犯色戒的和尚閱讀 329評論 0贊 1
  • iOS中的鎖 前言 寫在前面: 臨界區：指的是一塊對公共資源進行訪問的代碼，并非一種機制或是算法。 自旋鎖：是用于...
    ROBIN2015閱讀 904評論 0贊 7
  • 一、簡介：多線程在之前進行過一篇詳細的基礎博客 iOS多線程 二、多線程的基礎知識回顧 1.1、iOS中的常見多線...
    IIronMan閱讀 910評論 0贊 4