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iOS多线程安全之13种线程锁

2018-12-03 21:01 出处:清屏网 人气: 评论(0

目录

  • 1、为什么要线程安全
  • 2、自旋锁和互斥锁
  • 3、锁的类型
    • 1、OSSpinLock
    • 2、os_unfair_lock
    • 3、pthread_mutex
    • 4、dispatch_semaphore
    • 5、dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
    • 6、NSLock
    • 7、NSRecursiveLock
    • 8、NSCondition
    • 9、NSConditionLock
    • 10、@synchronized
    • 11、pthread_rwlock
    • 12、dispatch_barrier_async
    • 13、atomic
  • 4、锁的性能比较

为什么要线程安全

多个线程访问同一块资源的时候,很容易引发数据混乱问题。 一个大家都喜欢拿来举例子的就是 买票demo ,今天我使用这个案例 假设有100张票,同时开5个窗口买票,5个窗口买票,我们来看看结果

//卖票演示
- (void)ticketTest{
self.ticketsCount = 50;
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

for (NSInteger i = 0; i < 5; i++) {
dispatch_async(queue, ^{
for (int i = 0; i < 10; i++) {
[self sellingTickets];
}
});
}

}
//卖票
- (void)sellingTickets{
int oldMoney = self.ticketsCount;
sleep(.2);
oldMoney -= 1;
self.ticketsCount = oldMoney;

NSLog(@"当前剩余票数-> %d", oldMoney);
}
复制代码

正常情况下我有50张票,然后卖了50次,剩余票数应该是0,但是打印结果竟然是3,所以这里就存在了线程安全问题。

出现线程安全的原因

出现线程安全的原因就是在同一个时间,多个线程同时读取一个值,像线程A和B同时读取了当前票数为10,等于是卖了两张票,但是总票数其实就减少了一张。

解决方法

使用线程同步技术,按照预定的先后次序依次进行,常见的线程同步技术就是 加锁

自旋锁和互斥锁

自旋锁(Spin lock)

自旋锁与互斥锁有点类似,只是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是 否该自旋锁的保持者已经释放了锁,"自旋"一词就是因此而得名。其作用是为了解决某项资源的互斥使用。因为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。虽然它的效率比互斥锁高,但是它也有些不足之处:     1、自旋锁一直占用CPU,他在未获得锁的情况下,一直运行--自旋,所以占用着CPU,如果不能在很短的时 间内获得锁,这无疑会使CPU效率降低。     2、在用自旋锁时有可能造成死锁,当递归调用时有可能造成死锁,调用有些其他函数也可能造成死锁,如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等。     因此我们要慎重使用自旋锁,自旋锁只有在内核可抢占式或SMP的情况下才真正需要,在单CPU且不可抢占式的内核下,自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况下。

互斥锁

互斥锁属于sleep-waiting类型的锁。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B),它们分别运行在Core0和 Core1上。假设线程A想要通过pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁,而此时这个锁正被线程B所持有,那么线程A就会被阻塞 (blocking),Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中,此时Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而自旋锁则不然,它属于busy-waiting类型的锁,如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁,那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求,直到得到这个锁为止。

两种锁的加锁原理

互斥锁:线程会从sleep(加锁)——>running(解锁),过程中有上下文的切换,cpu的抢占,信号的发送等开销。

自旋锁:线程一直是running(加锁——>解锁),死循环检测锁的标志位,机制不复杂。

对比互斥锁的起始原始开销要高于自旋锁,但是基本是一劳永逸,临界区持锁时间的大小并不会对互斥锁的开销造成影响,而自旋锁是死循环检测,加锁全程消耗cpu,起始开销虽然低于互斥锁,但是随着持锁时间,加锁的开销是线性增长。

两种锁的应用

互斥锁用于临界区持锁时间比较长的操作,比如下面这些情况都可以考虑

  • 1 临界区有IO操作
  • 2 临界区代码复杂或者循环量大
  • 3 临界区竞争非常激烈
  • 4 单核处理器

至于自旋锁就主要用在临界区持锁时间非常短且CPU资源不紧张的情况下,自旋锁一般用于多核的服务器。

13种锁

1、OSSpinLock

OSSpinLock叫做”自旋锁”,使用时需要导入头文件#import <libkern/OSAtomic.h>

//初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
//加锁
OSSpinLockLock(&lock);
//解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);
复制代码

demo

#import "OSSpinLockDemo.h"
#import <libkern/OSAtomic.h>
@interface OSSpinLockDemo()
@property (assign, nonatomic) OSSpinLock ticketLock;
@end

@implementation OSSpinLockDemo

- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
self.ticketLock = OS_SPINLOCK_INIT;
}
return self;
}


//卖票
- (void)sellingTickets{
OSSpinLockLock(&_ticketLock);

[super sellingTickets];

OSSpinLockUnlock(&_ticketLock);
}

@end

复制代码

OSSpinLock 在iOS10.0以后就被弃用了,可以使用 os_unfair_lock_lock 替代。而且还有一些安全性问题,具体参考 不再安全的 OSSpinLock

2、os_unfair_lock

os_unfair_lock 用于取代不安全的 OSSpinLock ,从iOS10开始才支持 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 需要导入头文件 #import <os/lock.h>

//初始化
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
//加锁
os_unfair_lock_lock(&lock);
//解锁
os_unfair_lock_unlock(&lock);
复制代码

demo

#import "os_unfair_lockDemo.h"
#import <os/lock.h>
@interface os_unfair_lockDemo()
@property (assign, nonatomic) os_unfair_lock ticketLock;
@end

@implementation os_unfair_lockDemo
- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
self.ticketLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
}
return self;
}


//卖票
- (void)sellingTickets{
os_unfair_lock_lock(&_ticketLock);

[super sellingTickets];

os_unfair_lock_unlock(&_ticketLock);
}
@end
复制代码

3、pthread_mutex

mutex叫做”互斥锁”,等待锁的线程会处于休眠状态。需要导入头文件#import <pthread.h> 使用步骤

  • 1、初始化锁的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

/*
* Mutex type attributes
*/
#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL        0
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK    1
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE        2
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT        PTHREAD_MUTEX_NORMAL

复制代码
  • 2、初始化锁
// 初始化锁
pthread_mutex_init(mutex, &attr);
复制代码
  • 3、初始化锁结束以后,销毁属性
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
复制代码
  • 4、加锁解锁
pthread_mutex_lock(&_mutex);
pthread_mutex_unlock(&_mutex);
复制代码
  • 5、销毁锁
pthread_mutex_destroy(&_mutex);
复制代码

备注:我们可以不初始化属性,在传属性的时候直接传 NULL ,表示使用默认属性 PTHREAD_MUTEX_NORMALpthread_mutex_init(mutex, NULL);

具体代码

#import "pthread_mutexDemo.h"
#import <pthread.h>
@interface pthread_mutexDemo()
@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t ticketMutex;
@end

@implementation pthread_mutexDemo

- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(&(_ticketMutex), &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);


}
return self;
}

//卖票
- (void)sellingTickets{
pthread_mutex_lock(&_ticketMutex);

[super sellingTickets];

pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
}
@end
复制代码

死锁我们稍微的修改一下代码

//卖票
- (void)sellingTickets{
pthread_mutex_lock(&_ticketMutex);
[super sellingTickets];
[self sellingTickets2];
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
}


- (void)sellingTickets2{
pthread_mutex_lock(&_ticketMutex);
NSLog(@"%s",__func__);
pthread_mutex_unlock(&_ticketMutex);
}
复制代码

上面的代码就会造成 线程死锁 ,因为方法 sellingTickets 的结束需要 sellingTickets2 解锁,方法 sellingTickets2 的结束需要 sellingTickets 解锁,相互引用造成死锁

但是 pthread_mutex_t 里面有一个属性可以解决这个问题 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 递归锁:允许同一个线程对同一把锁进行重复加锁。要考重点 同一个线程同一把锁

- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(&(_ticketMutex), &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);


}
return self;
}
复制代码

对于上面的问题还有一个解决方案就是在方法 sellingTickets2 中重新在创建一把新的锁,两个方法的锁对象不同,就不会造成线程死锁了。

条件

// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(&_mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

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

// 等待条件
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_broadcast(&_cond);

//销毁资源
pthread_mutex_destroy(&_mutex);
pthread_cond_destroy(&_cond);
复制代码

使用案例:假设我们有一个数组,里面有两个线程,一个是添加数组,一个是删除数组,我们先调用删除数组,在调用添加数组,但是在数组为空的时候不调用删除数组。

#import "pthread_mutexDemo1.h"
#import <pthread.h>

@interface pthread_mutexDemo1()
@property (assign, nonatomic) pthread_mutex_t mutex;
@property (assign, nonatomic) pthread_cond_t cond;
@property (strong, nonatomic) NSMutableArray *data;
@end

@implementation pthread_mutexDemo1

- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化锁
pthread_mutex_init(&_mutex, &attr);
// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

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

self.data = [NSMutableArray array];
}
return self;
}
- (void)otherTest
{
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__remove) object:nil] start];

[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__add) object:nil] start];
}

// 线程1
// 删除数组中的元素
- (void)__remove
{
pthread_mutex_lock(&_mutex);
NSLog(@"__remove - begin");

if (self.data.count == 0) {
// 等待
pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
}

[self.data removeLastObject];
NSLog(@"删除了元素");

pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

// 线程2
// 往数组中添加元素
- (void)__add
{
pthread_mutex_lock(&_mutex);

sleep(1);

[self.data addObject:@"Test"];
NSLog(@"添加了元素");

// 激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&_cond);

pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

- (void)dealloc
{
pthread_mutex_destroy(&_mutex);
pthread_cond_destroy(&_cond);
}
复制代码

为了准确测试我们可以在 __addsleep(1)

4、NSLock

NSLock是对 mutex 普通锁的封装。 pthread_mutex_init(mutex, NULL);

NSLock 遵循 NSLocking 协议。Lock 方法是加锁,unlock 是解锁,tryLock 是尝试加锁,如果失败的话返回 NO,lockBeforeDate: 是在指定Date之前尝试加锁,如果在指定时间之前都不能加锁,则返回NO

@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
@end
复制代码

使用起来也是十分的简单

#import "LockDemo.h"
@interface LockDemo()
@property (strong, nonatomic) NSLock *ticketLock;
@end
@implementation LockDemo
//卖票
- (void)sellingTickets{
[self.ticketLock lock];
[super sellingTickets];
[self.ticketLock unlock];
}

@end
复制代码

5、NSRecursiveLock

NSRecursiveLock是对 mutex 递归锁的封装,API跟NSLock基本一致

#import "RecursiveLockDemo.h"
@interface RecursiveLockDemo()
@property (nonatomic,strong) NSRecursiveLock *ticketLock;
@end
@implementation RecursiveLockDemo
//卖票
- (void)sellingTickets{
[self.ticketLock lock];
[super sellingTickets];
[self.ticketLock unlock];
}
@end
复制代码

6、NSCondition

NSCondition是对 mutexcond 的封装,更加面向对象,我们使用起来也更加的方便简洁

@interface NSCondition : NSObject <NSLocking> {
- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;
@property (nullable, copy) NSString *name 
@end
复制代码

对于上面那个数组操作的案例我们就可以变成这个样子了

// 线程1
// 删除数组中的元素
- (void)__remove
{
[self.condition lock];
if (self.data.count == 0) {
// 等待
[self.condition wait];
}
[self.data removeLastObject];
NSLog(@"删除了元素");
[self.condition unlock];
}

// 线程2
// 往数组中添加元素
- (void)__add
{
[self.condition lock];
sleep(1);
[self.data addObject:@"Test"];
NSLog(@"添加了元素");
// 信号
[self.condition signal];
[self.condition unlock];
}
复制代码

7、NSConditionLock

NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装,可以设置具体的条件值

@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking> {
 
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition;

@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;
@property (nullable, copy) NSString *name;
@end
复制代码

里面有三个常用的方法

  • 1、 initWithCondition: 初始化 Condition ,并且设置状态值
  • 2、 lockWhenCondition:(NSInteger)condition: 当状态值为condition的时候加锁
  • 3、 unlockWithCondition:(NSInteger)condition 当状态值为condition的时候解锁
@interface NSConditionLockDemo()
@property (strong, nonatomic) NSConditionLock *conditionLock;
@end
@implementation NSConditionLockDemo
- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];
}
return self;
}

- (void)otherTest
{
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__one) object:nil] start];
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__two) object:nil] start];
}

- (void)__one
{
[self.conditionLock lock];
NSLog(@"__one");
sleep(1);
[self.conditionLock unlockWithCondition:2];
}

- (void)__two
{
[self.conditionLock lockWhenCondition:2];
NSLog(@"__two");
[self.conditionLock unlockWithCondition:3];
}
@end
复制代码

8、dispatch_semaphore

  • semaphore叫做”信号量”
  • 信号量的初始值,可以用来控制线程并发访问的最大数量
  • 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
//表示最多开启5个线程
dispatch_semaphore_create(5);
// 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
// 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(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 让信号量的值+1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
复制代码
@interface dispatch_semaphoreDemo()
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t semaphore;
@end
@implementation dispatch_semaphoreDemo
- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
self.semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
}
return self;
}
- (void)otherTest
{
for (int i = 0; i < 20; i++) {
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(test) object:nil] start];
}
}
- (void)test
{
// 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
// 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(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

sleep(2);
NSLog(@"test - %@", [NSThread currentThread]);

// 让信号量的值+1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}
@end
复制代码

我们在运行代码打印的时候发现,每隔一秒出现一次打印。虽然我们同时开启20个线程,但是一次只能访问一条线程的资源

9、dispatch_queue

使用GCD的串行队列也可以实现线程同步的

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_sync(queue, ^{
// 追加任务1
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
NSLog(@"1---%@",[NSThread currentThread]);
}
});

dispatch_sync(queue, ^{
// 追加任务2
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
NSLog(@"2---%@",[NSThread currentThread]);
}
});
复制代码

10、@synchronized

@synchronized 是对 mutex 递归锁的封装, @synchronized(obj) 内部会生成obj对应的递归锁,然后进行加锁、解锁操作

//卖票
- (void)sellingTickets{
@synchronized ([self class]) {
[super sellingTickets];
}
}
复制代码

对是实现底层我们可以在 objc4的objc-sync.mm文件中找到 synchronized 就是在开始和结束的时候调用了 objc_sync_enter & objc_sync_exit 方法。

objc_sync_enter 实现

int objc_sync_enter(id obj)
{
int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;

if (obj) {
SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
assert(data);
data->mutex.lock();
} else {
// @synchronized(nil) does nothing
if (DebugNilSync) {
_objc_inform("NIL SYNC DEBUG: @synchronized(nil); set a breakpoint on objc_sync_nil to debug");
}
objc_sync_nil();
}

return result;
}
复制代码

就是根据 id2data 方法找到一个 data 对象,然后在对 data 对象进行 mutex.lock() 加锁操作。我们点击进入 id2data 方法继续查找

#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data
static StripedMap<SyncList> sDataLists;
复制代码

发现获取 data 对象的方法其实就是根据 sDataLists[obj].data 这个方法来实现的,也就是一个哈希表。

关于 @synchronized,这儿比你想知道的还要多

11、atomic

  • 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
  • 可以参考源码objc4的objc-accessors.mm
  • 它并不能保证使用属性的过程是线程安全的

12、pthread_rwlock:读写锁

pthread_rwlock经常用于文件等数据的读写操作,需要导入头文件 #import <pthread.h>

iOS中的读写安全方案需要注意一下场景

  • 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
//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_trywrlock(&_lock)

//写加锁
pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
//写尝试加锁
pthread_rwlock_trywrlock(&_lock)

//解锁
pthread_rwlock_unlock(&_lock);
//销毁
pthread_rwlock_destroy(&_lock);

复制代码
#import <pthread.h>
@interface pthread_rwlockDemo ()
@property (assign, nonatomic) pthread_rwlock_t lock;
@end

@implementation pthread_rwlockDemo

- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
// 初始化锁
pthread_rwlock_init(&_lock, NULL);
}
return self;
}

- (void)otherTest{
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);

for (int i = 0; i < 10; i++) {
dispatch_async(queue, ^{
[self read];
});
dispatch_async(queue, ^{
[self write];
});
}
}
- (void)read {
pthread_rwlock_rdlock(&_lock);
sleep(1);
NSLog(@"%s", __func__);
pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}
- (void)write
{
pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
sleep(1);
NSLog(@"%s", __func__);
pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}
- (void)dealloc
{
pthread_rwlock_destroy(&_lock);
}
@end
复制代码

我们可以发现读操作1s有可能出现多次,但是写操作不会

13、dispatch_barrier_async

这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的 如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列,那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果

//初始化
self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
//读操作
dispatch_async(self.queue, ^{
});
//写操作
dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
 
});
复制代码

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本文标签: iOS多线程线程锁

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