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iOS知识梳理-多线程3锁

jiezi

多线程模型下，由于共享内存带来的冲突风险，锁是个避不开的话题。

关于锁

首先从平台无关的角度看，从能力上区分，主要有以下几种锁：

  1. 互斥锁（mutex）：最普通的锁，阻塞等待，一种二元锁机制，只允许一个线程进入临界区
  2. 自旋锁（spin lock）：能力上跟互斥锁一样的，只是它是忙等待
  3. 信号量（semaphore）：信号量可以理解为互斥锁的推广形态，即互斥锁取值 0 /1，而信号量可以取更多的值，从而应对更复杂的同步。
  4. 条件锁（condition lock）：有时候互斥的条件是复杂的而不是简单的数量上的竞争，此时可以用条件锁，条件锁的加锁解锁是通过代码触发的。
  5. 读写锁（read-write lock）：顾名思义，就像文件读写，读操作之间并不互斥，但写操作与任何操作互斥。
  6. 递归锁（recursivelock）：互斥锁的一个特例，允许同一个线程在未释放其拥有的锁时反复对该锁进行加锁操作。

所有的锁，语义上基本就这几种，

iOS 中的锁

以 API 提供者的维度梳理一下 iOS 的锁

  1. 内核

    1. OSSpinLock：内核提供的自旋锁，已废弃
    2. os_unfair_lock：iOS10 后官方推荐用来替代 OSSpinLock 的方案，性能很好

  2. pthread：POSIX 标准真的是大而全 … 啥都有

    1. pthread_mutex：pthread 的互斥锁
    2. pthread_rwlock：pthread 的读写锁
    3. pthread_cond_t：pthread 的条件锁
    4. sem_t：pthread 的信号量
    5. pthread_spin_lock：pthread 的自旋锁

  3. GCD

    1. dispatch_semaphore：gcd 的信号量

  4. Cocoa Foundation

    1. NSLock：CF 的互斥锁
    2. NSCondition：条件变量
    3. NSConditionLock：条件锁，在条件变量之上做了封装
    4. NSRecursiveLock

  5. objc runtime

    1. synchronized：本质上是 pthread_mutex 的上层封装，参考这里

以上，相对全面地列举了 iOS 中的锁，它们是不同层级的库提供的，但由于 iOS 中所有的线程本质上都是内核级线程，因此这些锁是能够公用的。

  1. 串行队列
  2. dispatch_barrier_async：栅栏函数，隔离前后的任务
  3. atomic

性能对比

环境：iPhone 7 plus + iOS 11

基于 YY 老师 不再安全的 OSSpinLock 中的性能对比代码，加入了os_unfair_lock，重新跑的一个性能对比。测试代码在这里

上面测试的是纯粹的加锁解锁性能，中间没有任何逻辑也不存在多线程抢占，为了更贴合我们的实际环境，我构造了一个简单的多线程环境：NSOperationQueue最大并发数为 10，创建 10 个 NSOperation，每个NSOperation 做 10w 次 i ++ 操作，每次操作加锁，代码在这里，结果如下：

可以看到多线程抢占的情形下结果跟前面略有不同，在真实业务场景下这个数据应该更有参考意义。

如何选择

由于 OSSpinLock 存在的优先级反转问题，已经废弃不再使用。（参考：不再安全的 OSSpinLock）

  1. 一般场景，直接用 @synchronized。使用最方便。一般业务开发场景，锁的性能影响不大，能力上也只需要简单的互斥锁，因此怎么方便怎么来。而且@synchronized 性能也没有差太多。
  2. 性能苛刻的场景：os_unfair_lock，自旋锁废弃后官方推荐的替代品，性能优异。
  3. 需要信号量：dispatch_semaphore
  4. 需要条件锁：NSCondition
  5. 需要读写锁：pthread_rwlock
  6. 需要递归锁：NSRecursiveLock

使用

1. 自旋锁 OSSpinLock

自旋锁是这些锁中唯一一个依靠忙等待实现的锁，也就是说可以理解成一个暴力的 while 循环，因此会浪费较多的 CPU，但它是所有锁中性能最高的。适用于对时延要求比较苛刻、临界区计算量比较小、本身 CPU 不存在瓶颈的场景。

但是现在不能用了。YY 老师在不再安全的 OSSpinLock 中讲得很清楚了，当低优先级的线程已进入临界区，高优先级的线程想要获取资源就需要忙等待，占用大量 CPU，导致低优先级线程迟迟不能执行完临界区代码，导致类死锁的问题。

OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
OSSpinLockLock(&lock);
// do something
OSSpinLockUnlock(&lock);

2. os_unfair_lock

os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
os_unfair_lock_lock(&lock);
// do something
os_unfair_lock_unlock(&lock);

3. pthread_mutex

pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init(&lock, NULL);
pthread_mutex_lock(&lock);
// do something
pthread_mutex_unlock(&lock);

4. dispatch_semaphore

dispatch_semaphore_t lock =  dispatch_semaphore_create(1);
dispatch_semaphore_wait(lock, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// do something
dispatch_semaphore_signal(lock);

dispatch_semaphore_create传入参数是信号量的值，在这里就是能够同时进入临界区的线程数。dispatch_semaphore_wait，当信号量大于 0 时减一并进入临界区，如果信号量等于 0 则等待直到信号量不为 0 或到达设定时间。dispatch_semaphore_signal使信号量加 1。

5. NSLock

NSLock *lock = [NSLock new];
[lock lock];
// do something
[lock unlock];

6. NSCondition

条件锁，以生产者消费者模型为例

NSCondition *condition = [NSCondition new];

// Thread 1: 消费者
- (void)consumer
{[condition lock];
  while(conditionNotSatisfied){[condition wait]
  }
  // 消费逻辑
  consume();
  [condition unlock];
}

// Thread 2: 生产者
- (void)producer
{[condition lock];
  // 生产逻辑
  produce();
  [condition signal];
  [condition unlock];
}

7. NSConditionLock

条件锁，跟 NSCondition 差不多，对条件做了封装，简化了使用但也没 NSCondition 那么灵活了。

NSConditionLock *condition = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];

// Thread 1: 消费者
- (void)consumer
{[condition lockWhenCondition:1];
  while(conditionNotSatisfied){[condition wait]
  }
  // 消费逻辑
  consume();
  [condition unlockWithCondition:0];
}

// Thread 2: 生产者
- (void)producer
{[condition lock];
  // 生产逻辑
  produce();
  [condition unlockWithCondition:1];
}

8. NSRecursiveLock

可以递归调用的互斥锁。

int i = 0;
NSRecursiveLock *lock = [NSRecursiveLock new];
- (void)testLock
{if(i > 0){[lock lock];
        [self testLock];
        i --;
        [lock lock];
    }
}

9. @synchronized

普通的锁，用着方便。

@synchronized(self) {// do something}

10. pthread_rwlock

读写锁，一般也不怎么用得上，这里给了个字典 set/get 的例子，但是实际业务场景，通常普通的互斥锁就可以了。

在读操作比写操作多很多的情况下，读写锁的收益比较可观。

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
NSMutableDictionary *dic = [NSMutableDictionary new];
- (void)set
{
    // 写模式加锁
    pthread_rwlock_wrlock(&lock);
    dic[@"key"] = @"value";
    // 解锁
    pthread_rwlock_unlock(&lock);
}
- (NSString *)get
{
    NSString *value;
    // 写模式加锁
    pthread_rwlock_rdlock(&lock);
    value = dic[@"key"];
    // 解锁
    pthread_rwlock_unlock(&lock);
    return value;
}

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