iOS 线程安全--锁

Posted 2021-01-24 梁飞宇

一，前言

　　线程安全是ios开发中避免了的话题，随着多线程的使用，对于资源的竞争以及数据的操作都可能存在风险，所以有必要在操作时保证线程安全。

二，为什么要使用锁？

     由于一个进程中不可避免的存在多线程，所以不可避免的存在多个线程访问同一个数据的情况。但是为了数据的安全性，当一个线程访问数据的时候，其它的线程不能对其访问。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。只有确保了这样，才能使数据不会被其他线程影响。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。例如，一个内存单元存储着一个可读，可写的变量数据10，我们想取到10时，另外一个线程把它改成11，就会造成我们取到的数据，并不是我们想要的。再比如，写文件和读文件，当一个线程在写文件的时候，理论上来说，如果这个时候另一个线程来直接读取的话，那么得到的结果可能是你无法预料的。

示例：我们定义一个person类，创建一个NSInterge  age的属性，开辟两个线程去改变age的值。
    

- (void)withoutLock {
    __block Person *p = [[Person alloc]init];
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{ //开辟一个新线程
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            p.age ++;
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{ //开辟一个新线程
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            p.age ++;
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
    
}

 打印结果：

2018-12-02 00:55:14.691872+0800 Masrony使用方式[19550:2339611] 1893
2018-12-02 00:55:14.691872+0800 Masrony使用方式[19550:2339610] 1012

 分析结果：

 　　按正常的理想情况，打印的结果应该为1000，2000; 造成这个问题的主要原因就是我们开辟的两个线程都去访问age的内存单元，造成数据混乱。

 假如我们加上锁以后：
 

- (void)useLock {
    __block Person *p = [[Person alloc]init];
    
    NSLock *myLock = [[NSLock alloc]init];
    NSLog(@"begin:");
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            [myLock lock]; //加锁
             p.age ++;
            [myLock unlock]; //解锁
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            [myLock lock]; //加锁
            p.age ++;
            [myLock unlock]; //解锁
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
}

 打印结果：

2018-12-02 00:55:14.691872+0800 Masrony使用方式[19550:2339611] 1000
2018-12-02 00:55:14.691872+0800 Masrony使用方式[19550:2339610] 2000

三，怎么保证线程安全

    通常我们使用锁的机制来保证线程安全，即确保同一时刻只有同一个线程来对同一个数据源进行访问。

四，常用的锁有哪些

•  NSLock 
•  Synchronized 同步锁
•  Atomic 自旋锁
•  Recursivelock 递归锁
•  Dispatch_semaphore 信号量
•  NSConditionLock和NSCondition 条件锁

五，常用锁的使用

• NSLock

         * 系统API：

@protocol NSLocking
lock 方法
- (void)lock //获得锁
unlock 方法
- (void)unlock //释放锁

 

@interface NSLock : NSObject <NSLocking> {
@private
    void *_priv;
}
- (BOOL)tryLock; //试图得到一个锁。YES：成功得到锁；NO：没有得到锁。
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit; //在指定的时间以前得到锁。YES:在指定时间之前获得了锁；NO：在指定时间之前没有获得锁。该线程将被阻塞，直到获得了锁，或者指定时间过期。

@property (nullable, copy) NSString *name API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0)); //给锁定义一个Name
@end     

　　 * NSLock的执行原理：

　　　某个线程A调用lock方法。这样，NSLock将被上锁。可以执行“关键部分”，完成后，调用unlock方法。如果，在线程A 调用unlock方法之前，另一个线程B调用了同一锁对象的lock方法。那么，线程B只有等待。直到线程A调用了unlock。
       * 使用方法

//初始化数据锁（主线程中）
NSLock *lock =[NSLock alloc]init];
//数据加锁
[lock lock];

//加锁的内容
[object doSomeThine];

//数据解锁
[lock Unlock];

       * 使用示例

//主线程中
NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];

//线程1
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
　　[lock lock];
　　NSLog(@"线程1");
　　sleep(2);
　　[lock unlock];
　　NSLog(@"线程1解锁成功");
});

//线程2
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
　　sleep(1);//以保证让线程2的代码后执行
　　[lock lock];
　　NSLog(@"线程2");
　　[lock unlock];
});

 结果：

2018-12-02 14:23:09.659 ThreadLockControlDemo[1754:129663] 线程1
2018-12-02 14:23:11.663 ThreadLockControlDemo[1754:129663] 线程1解锁成功
2018-12-02 14:23:11.665 ThreadLockControlDemo[1754:129659] 线程2

  　 * 注意事项

Warning
 * NSLock类使用POSIX（可移植性操作系统接口）线程来实现上锁的特性。当NSLock类收到一个解锁的消息，你必须确定发送源也是来自那个发送上锁的线程。在不同的线程上解锁，会产生不定义行为。

 * 你不应该把这个类实现递归锁。如果在同一个线程上调用两次lock方法，将会对这个线程永久上锁。使用NSRecursiveLock类来才可以实现递归锁。
 * 解锁一个没有被锁定的锁是一个程序错误，这个地方需要注意。

•  Synchronized 同步锁

　　　同步锁是比较常用的，因为其使用方法是所有锁中最简单的，但性能却是最差的，所以对性能要求不高的使用场景Synchronized是一种比较方便的锁。

         * 使用示例：

static Config * instance = nil;
//方法A
+(Config *) Instance {

    @synchronized(self)  {

        if(nil == instance)  {
            [self new];
        }
    }
    return instance;
}

//方法B
+(id)allocWithZone:(NSZone *)zone {

    @synchronized(self)  {
        if(instance == nil）{
            instance = [super allocWithZone:zone];
            return instance;
        }
    }
    return nil;
}

         * 使用介绍：

　       @synchronized，代表这个方法加锁, 相当于不管哪一个线程（例如线程A），运行到这个方法时,都要检查有没有其它线程例如B正在用这个方法，有的话要等正在使用synchronized方法的线程B运行完这个方法后再运行此线程A,没有的话,直接运行。它包括两种用法：synchronized 方法和 synchronized 块。

　　    @synchronized 方法控制对类（一般在IOS中用在单例中）的访问：每个类实例对应一把锁，每个 synchronized 方法都必须获得调用该方法锁方能执行，否则所属就会发生线程阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到从该方法返回时才将锁释放，此后被阻塞的线程方能获得该锁，重新进入可执行状态。这种机制确保了同一时刻对于每一个类，至多只有一个处于可执行状态，从而有效避免了类成员变量的访问冲突（只要所有可能访问类的方法均被声明为 synchronized）。

　　　 synchronized 块：

　　　　 @通过 synchronized关键字来声明synchronized 块。语法如下：

 　　　　@synchronized(syncObject) {

　　　　 }

　　  　　synchronized 块是这样一个代码块，其中的代码必须获得对象 syncObject （如前所述，可以是类实例或类）的锁方能执行，具体机制同前所述。由于可以针对任意代码块，且可任意指定上锁的对象，故灵活性较高。

         * 使用总结：

1. 从上可以看出不需要创建锁，一种类似于swift中调用一个含有尾随闭包的函数，就能实现功能。
2. synchronized内部实现是对传入的对象，为其分配一个递归锁，存储在哈希表中。

         * 使用注意：
            @synchronized（）{} 小括号里面需要传入一个对象类型，基本数据类型不能作为参数；

            @synchronized（）{}小括号内的这个对象不能为空，如果为nil，就不能保证其锁的功能。

• Atomic 自旋锁

         自旋锁在iOS系统中的实现是OSSpinLock。自旋锁通过一直处于while盲等状态，来实现只有一个线程访问数据。由于一直处于while循环，所以对CPU的占用也比较高的，用CPU的消耗换来的好处就是自旋锁的性能高。

         * 使用介绍：

            当上一个线程的任务没有执行完毕的时候（被锁住），那么下一个线程会一直等待（busy-waiting），当上一个线程的任务执行完毕，下一个线程会立即执行。

         * 优缺点：

　　　　　 1. 由于自旋锁不会引起调用者睡眠，所以自旋锁的效率远高于互斥锁

                2. 自旋锁会一直占用CPU，也可能会造成死锁

                3.自旋锁有bug！不同优先级线程调度算法会有优先级反转问题，比如低优先级获锁访问资源，高优先级尝试访问时会等待，这时低优先级又没法争过高优先级导致任务无法完成lock释放不了

         * 原子操作

• nonatomic：非原子属性，非线程安全，适合小内存移动设备
• atomic：原子属性，default，线程安全（内部使用自旋锁），消耗大量资源

• 单写多读，只为setter方法加锁，不影响getter

• 相关代码如下：

  static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy) 
  {
     if (offset == 0) {
         object_setClass(self, newValue);
         return;
     }
  
     id oldValue;
     id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
  
     if (copy) {
         newValue = [newValue copyWithZone:nil];
     } else if (mutableCopy) {
         newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
     } else {
         if (*slot == newValue) return;
         newValue = objc_retain(newValue);
     }
  
     if (!atomic) {
         oldValue = *slot;
         *slot = newValue;
     } else {
         spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
         slotlock.lock();
         oldValue = *slot;
         *slot = newValue;        
         slotlock.unlock();
     }
  
     objc_release(oldValue);
  }
  
  void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
  {
     bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
     bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
     reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
  }

• 总结：很容易理解的代码，可变拷贝和不可变拷贝会开辟新的空间，两者皆不是则持有（引用计数+1），相比nonatomic只是多了一步锁操作。   

           * 使用示例

#import "ViewController.h"
#import "Person.h"
#import <libkern/OSAtomic.h>

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [self  useLock];
}

- (void)withoutLock {
    __block Person *p = [[Person alloc]init];
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            p.age ++;
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{
        @synchronized(self){
            
        }
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            p.age ++;
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
    
}

- (void)useLock {
    
    __block OSSpinLock spinLock = OS_SPINLOCK_INIT; //创建锁
    __block Person *p = [[Person alloc]init];
    
    
    NSLog(@"begin:");
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            OSSpinLockLock(&spinLock); //加锁
             p.age ++;
            OSSpinLockLock(&spinLock); //解锁
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
    
    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{
        for (int i = 0; i<1000; i++) {
            OSSpinLockLock(&spinLock); //加锁
            p.age ++;
            OSSpinLockLock(&spinLock); //解锁
        }
        NSLog(@"%zd
",p.age);
    }];
}

            * 使用总结：

               1）首先需要#important<libkern/OSAtomic.h> ，因此关于自旋锁的API是在这个文件中声明的。

               2）创建自旋锁也是通过一个静态宏，在线程内通过 OSSpinLockLock 和 OSSpinLockUnlock来上锁，解锁。如果不是因为现在的OSSpinLock出现了使用bug，在性能以及使用方面来说，都是很好的使用锁的选择。

            * 自旋锁的原理

　　　　　就是while循环来占用CPU，实际上，当A线程获取到锁时，CPU会处于while死循环，而这个死循环并不是A线程造成的，当A获取到锁，并且B线程也要申请锁时，就会一直while循环询问A线程是否释放了该锁，所以导致了CPU死循环，因此是B线程导致的，这个是“自旋”的由来，正是因为这个一直等待询问，并不类似于互斥锁，互斥锁在申请时处于线程休眠状态，所以才使自旋锁的性能高。举个列子：煮饭吃，你的电饭锅（A线程）正在煮饭（资源），而你本人（B线程）也想煮饭，你有两种方式，第一种，一直在电饭锅前等待着，看着饭好了没；第二种，去忙其它的，每15分钟过来看一次饭好了没。很显然，按照第一种方式肯定是会先吃上饭。

• Recursivelock 递归锁

        * 需求场景：

　　　  一个锁只是请求一份资源，而在一些开发实际中，往往需要在代码中嵌套锁的使用，也就是在同一个线程中，一个锁还没有解锁就再次加锁。这个时候就用到了递归锁。

        * 实现原理：

　　　 递归锁也是通过 pthread_mutex_lock 函数来实现，在函数内部会判断锁的类型。NSRecursiveLock 与 NSLock 的区别在于内部封装的 pthread_mutex_t 对象的类型不同，前者的类型为 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE

        * 运用场景：

　　　 循环（多张图片循环上传），递归

        * 使用示例：
 示例一:   

//递归锁实例化

    NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
    static void (^RecursiveMethod)(NSInteger);
    //  同一线程可多次加锁，不会造成死锁
    RecursiveMethod = ^(NSInteger value){
        [lock lock];//一进来就要开始加锁
        [NetWorkManager requestWithMethod:POST Url:url Parameters:paraDic success:^(id responseObject) {
            [self reuestForSuccess];
  //一旦数据获取成功就要解锁 不然会造成死锁
              [lock unlock];
        } requestRrror:^(id requestRrror) {
            //条件没有达到，开始循环操作
            if(value > 0){
                RecursiveMethod(value-1);//必须-1  循环
            }

            if(value == 0){
            //条件 如果 == 0 代表循环的次数条件已经达到 可以做别的操作
            }

            //失败后也要解锁
                [lock unlock];
        }];

             //记得解锁
              [lock unlock];
    };

    //设置递归锁循环次数  自定义
       RecursiveMethod(5);

 示例二：

- (void)recursiveLock {
    NSRecursiveLock *theLock = [[NSRecursiveLock alloc]init];
    [self MyRecursiveFucntion:5 recursiveLock:theLock];  
}

- (void) MyRecursiveFucntion:(NSInteger )value recursiveLock:(NSRecursiveLock *)theLock {
    [theLock lock];
    if (value !=0) {
        --value;
        [self MyRecursiveFucntion:value recursiveLock:theLock];
    }
    [theLock unlock];
}

• Dispatch_semaphore 信号量

　　  dispatch_semaphore是GCD用来同步的一种方式，与他相关的共有三个函数，分别是

　　  dispatch_semaphore_create，dispatch_semaphore_signal，dispatch_semaphore_wait。

下面我们逐一介绍三个函数：

　　（1）dispatch_semaphore_create的声明为：

　　　 　dispatch_semaphore_t  dispatch_semaphore_create(long value);

　 　　　传入的参数为long，输出一个dispatch_semaphore_t类型且值为value的信号量。

　　　　值得注意的是，这里的传入的参数value必须大于或等于0，否则dispatch_semaphore_create会返回NULL。

　　　 （关于信号量，我就不在这里累述了，网上很多介绍这个的。我们这里主要讲一下dispatch_semaphore这三个函数的用法）。

　　（2）dispatch_semaphore_signal的声明为：

　　　  　long dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema)

　　　　  这个函数会使传入的信号量dsema的值加1；（至于返回值，待会儿再讲）

  　　(3) dispatch_semaphore_wait的声明为：

　　　　long dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout)；

　　　　这个函数会使传入的信号量dsema的值减1；

　　　　这个函数的作用是这样的，如果dsema信号量的值大于0，该函数所处线程就继续执行下面的语句，并且将信号量的值减1；

　　　　如果desema的值为0，那么这个函数就阻塞当前线程等待timeout（注意timeout的类型为dispatch_time_t，

　　　　不能直接传入整形或float型数），如果等待的期间desema的值被dispatch_semaphore_signal函数加1了，

　　　　且该函数（即dispatch_semaphore_wait）所处线程获得了信号量，那么就继续向下执行并将信号量减1。

　　　　如果等待期间没有获取到信号量或者信号量的值一直为0，那么等到timeout时，其所处线程自动执行其后语句。

　　（4）dispatch_semaphore_signal的返回值为long类型，当返回值为0时表示当前并没有线程等待其处理的信号量，其处理

　　　 　的信号量的值加1即可。当返回值不为0时，表示其当前有（一个或多个）线程等待其处理的信号量，并且该函数唤醒了一

　　　　个等待的线程（当线程有优先级时，唤醒优先级最高的线程；否则随机唤醒）。

　　　　dispatch_semaphore_wait的返回值也为long型。当其返回0时表示在timeout之前，该函数所处的线程被成功唤醒。

　　　　当其返回不为0时，表示timeout发生。

　　（5）在设置timeout时，比较有用的两个宏：DISPATCH_TIME_NOW 和 DISPATCH_TIME_FOREVER。

　　　　 DISPATCH_TIME_NOW　　表示当前；

　　　　 DISPATCH_TIME_FOREVER　　表示遥远的未来；

　　　　一般可以直接设置timeout为这两个宏其中的一个，或者自己创建一个dispatch_time_t类型的变量。

　　　　创建dispatch_time_t类型的变量有两种方法，dispatch_time和dispatch_walltime。

　　　　利用创建dispatch_time创建dispatch_time_t类型变量的时候一般也会用到这两个变量。

　　　　dispatch_time的声明如下：

　　　　　　dispatch_time_t dispatch_time(dispatch_time_t when, int64_t delta)；

　　　　　　其参数when需传入一个dispatch_time_t类型的变量，和一个delta值。表示when加delta时间就是timeout的时间。

　　　　例如：dispatch_time_t  t = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1*1000*1000*1000);

　　　　　　　表示当前时间向后延时一秒为timeout的时间。

　   （6）关于信号量，一般可以用停车来比喻。

　　　　停车场剩余4个车位，那么即使同时来了四辆车也能停的下。如果此时来了五辆车，那么就有一辆需要等待。

　　　　信号量的值就相当于剩余车位的数目，dispatch_semaphore_wait函数就相当于来了一辆车，dispatch_semaphore_signal

　　　　就相当于走了一辆车。停车位的剩余数目在初始化的时候就已经指明了（dispatch_semaphore_create（long value）），

　　　　调用一次dispatch_semaphore_signal，剩余的车位就增加一个；调用一次dispatch_semaphore_wait剩余车位就减少一个；

　　　　当剩余车位为0时，再来车（即调用dispatch_semaphore_wait）就只能等待。有可能同时有几辆车等待一个停车位。有些车主

　　　　没有耐心，给自己设定了一段等待时间，这段时间内等不到停车位就走了，如果等到了就开进去停车。而有些车主就像把车停在这，

　　　　所以就一直等下去。

　　（7）代码举简单示例如下：

dispatch_semaphore_t signal;     signal = dispatch_semaphore_create(1);     __block long x = 0;     NSLog(@"0_x:%ld",x);     dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{         sleep(1);         NSLog(@"waiting");         x = dispatch_semaphore_signal(signal);         NSLog(@"1_x:%ld",x);           sleep(2);         NSLog(@"waking");         x = dispatch_semaphore_signal(signal);         NSLog(@"2_x:%ld",x);     }); //    dispatch_time_t duration = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1*1000*1000*1000); //超时1秒 //    dispatch_semaphore_wait(signal, duration);       x = dispatch_semaphore_wait(signal, DISPATCH_TIME_FOREVER);     NSLog(@"3_x:%ld",x);       x = dispatch_semaphore_wait(signal, DISPATCH_TIME_FOREVER);     NSLog(@"wait 2");     NSLog(@"4_x:%ld",x);       x = dispatch_semaphore_wait(signal, DISPATCH_TIME_FOREVER);     NSLog(@"wait 3");     NSLog(@"5_x:%ld",x);

最终打印的结果为：

2018-12-02 22:51:54.734 LHTest[15700:70b] 0_x:0 2018-12-02 22:51:54.737 LHTest[15700:70b] 3_x:0 2018-12-02 22:51:55.738 LHTest[15700:f03] waiting 2018-12-02 22:51:55.739 LHTest[15700:70b] wait 2 2018-12-02 22:51:55.739 LHTest[15700:f03] 1_x:1 2018-12-02 22:51:55.739 LHTest[15700:70b] 4_x:0 2018-12-02 22:51:57.741 LHTest[15700:f03] waking 2018-12-02 22:51:57.742 LHTest[15700:f03] 2_x:1 2018-12-02 22:51:57.742 LHTest[15700:70b] wait 3 2018-12-02 22:51:57.742 LHTest[15700:70b] 5_x:0

•  NSConditionLock和NSCondition 条件锁

　　  * 使用介绍：
　　　　NSConditionLock好处是可以设置条件，条件符合时获得锁。设置时间，指定时间之前获取锁。缺点是加锁和解锁需要在同一线程中执行，否则控制台会报错，虽然不影响程序运行。（but好像会影响进程释放，因为多次执行后进程到了80多，程序卡了还是崩溃了，忘了。只是猜测。）

　     * 使用举例：

　NSConditionLock * conditionLock = [[NSConditionLockalloc] init];
      //当条件符合时获得锁
      [conditionLock lockWhenCondition:1];
     //在指定时间前尝试获取锁，若成功则返回YES 否则返回NO
      BOOL isLock = [conditionLock lockBeforeDate:date1];
    //在指定时间前尝试获取锁，且条件必须符合
      BOOL isLock = [conditionLock lockWhenCondition:1 beforeDate:date1];
    //解锁并设置条件为2
     [conditionLock unlockWithCondition:2];