【iOS】—— iOS中的相关锁

锁作为一种非强制的机制，被用来保证线程安全。每一个线程在访问数据或者资源前，要先获取（Acquire）锁，并在访问结束之后释放（Release）锁。如果锁已经被占用，其它试图获取锁的线程会等待，直到锁重新可用
注：不要将过多的其他操作代码放到锁里面，否则一个线程执行的时候另一个线程就一直在等待，就无法发挥多线程的作用了
iOS中锁的基本种类只有三种：互斥锁、自旋锁、读写锁，其他的可能比如：条件锁、递归锁、信号量都是上层的封装和实现

在之前学习中了解过一些锁的知识，很多地方也用到过，在上周看AFNetworking源码的时候也看到了NSLock和@synchronized这两种锁用了好多次。

自旋锁

我们在weak的实现原理中有学习过自旋锁，对于每个SideTable中间都有自旋锁，同时也使用了分离锁给单个SideTable上锁。

自旋锁：线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直到显式释放自旋锁。

1.OSSpinLock

自从OSSpinLock出现了安全问题之后就废弃了。自旋锁之所以不安全，是因为自旋锁由于获取锁时，线程会一直处于忙则等待的死锁状态，造成了任务优先级的反转

OSSpinLock忙等的机制就可能造成高优先级一直running等待，占用CPU时间片，而低优先级任务无法抢占时间片，变成迟迟完不成，不释放锁的情况。

// 初始化
spinLock = OS_SPINKLOCK_INIT;
// 加锁
OSSpinLockLock(&spinLock);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&spinLock);

2.os_unfair_lock

weak实现部分的自旋锁就使用的是这个，自旋锁已经不安全了，苹果推出了os_unfair_lock，这个锁解决了优先级反转的问题

//创建一个锁
    os_unfair_lock_t unfairLock;
//初始化
    unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
    //加锁
    os_unfair_lock_lock(unfairLock);
    //解锁
    os_unfair_lock_unlock(unfairLock);

3.atomic

自旋锁的实际应用，自动生成的setter方法会根据修饰符不同调用不同方法，最后统一调用reallySetProperty方法，其中就有一段关于atomic修饰词的代码。

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);
}

比对一下atomic的逻辑分支：

• 原子性修饰的属性进行了spinlock加锁处理
• 非原子性的属性除了没加锁，其他逻辑与atomic一般无二

前面提到了os_unfair_lock替代了OSSpinLock,所以在上面还用到了OSSpinLock。

using spinlock_t = mutex_tt<LOCKDEBUG>;
class mutex_tt : nocopy_t {
    
    
    os_unfair_lock mLock;
    ...
}

getter方法也是如此：atomic修饰的属性进行加锁处理。

id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {
    
    
    if (offset == 0) {
    
    
        return object_getClass(self);
    }

    // Retain release world
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
    if (!atomic) return *slot;
        
    // Atomic retain release world
    spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
    slotlock.lock();
    id value = objc_retain(*slot);
    slotlock.unlock();
    
    // for performance, we (safely) issue the autorelease OUTSIDE of the spinlock.
    return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}

atomic只能保证setter、getter方法的线程安全，并不能保证数据安全。

如果有多个线程同时调用setter的话，不会出现某一个线程执行setter全部语句之前，另一个线程开始执行setter情况，相当于函数头尾加了锁一样。 nonatomic不保证setter/getter的原语行，所以你可能会取到不完整的东西。 比如setter函数里面改变两个成员变量，如果你用nonatomic的话，getter可能会取到只更改了其中一个变量时候的状态。 atomic是线程安全的,nonatomic是线程不安全的。如果只是单线程操作的话用nonatomic最好,因为后者效率高一些。

互斥锁

进行互斥操作的锁，防止两条线程同时对同一公共资源（比如全局变量）进行读写操作。

• 互斥锁：如果共享数据已经有其他线程加锁了，线程会进入休眠状态等待锁。一旦被访问的资源被解锁，则等待资源的线程会被唤醒。
• 自旋锁：如果共享数据已经有其他线程加锁了，线程会以死循环的方式等待，一旦被访问的资源被解锁，则等待资源的线程会立即执行
• 自旋锁的效率高于互斥锁。但是我们要注意由于自旋时不释放CPU，因而持有自旋锁的线程应尽快释放自旋锁，否则等待该自旋锁的线程会一直在那里自旋，浪费CPU时间。

互斥锁又分为：

• 递归锁：可重入锁，同一个线程在锁匙放钱可再次获取锁，即可以递归调用
• 非递归锁：不可重入，必须等锁释放后才能再次获取锁

对于递归锁我们要注意使用时死锁问题，前后代码相互等待就会死锁
对于非递归锁，我们强行使用递归就会造成堵塞而非死锁。

pthread_mutex

pthread_mutex就是互斥锁本身——当锁被占用，而其他线程申请锁时，不是使用忙等，而是阻塞线程并睡眠

// 导入头文件
#import <pthread.h>
// 全局声明互斥锁
pthread_mutex_t _lock;
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&_lock, NULL);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&_lock);
// 这里做需要线程安全操作
// ...
// 解锁 
pthread_mutex_unlock(&_lock);
// 释放锁
pthread_mutex_destroy(&_lock);

@synchronized

@synchronized可能是日常开发中用的比较多的一种互斥锁，因为它的使用比较简单，但并不是在任意场景下都能使用@synchronized，且它的性能较低。
@synchronized需要一个参数，这个参数相当于信号量

// 初始化
@synchronized(锁对象){
    
    

}
/*
底层封装的pthread_mutex的PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 模式,
锁对象来表示是否为同一把锁
*/

我们来浅看一下它的底层实现：

static void _I_MyPerson_run(MyPerson * self, SEL _cmd) {
    
    
    {
    
     
    	id _rethrow = 0; id _sync_obj = (id)self; 
    	objc_sync_enter(_sync_obj);
		try {
    
    
			struct _SYNC_EXIT {
    
     
				_SYNC_EXIT(id arg) : sync_exit(arg) {
    
    }
				~_SYNC_EXIT() {
    
    objc_sync_exit(sync_exit);}
			id sync_exit;
			} _sync_exit(_sync_obj);

        	NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_rx_h53wjns9787gpxxz8tg94y6r0000gn_T_MyPerson_9b8773_mi_3);
    	} catch (id e) {
    
    _rethrow = e;}
    
		{
    
     
			struct _FIN {
    
     _FIN(id reth) : rethrow(reth) {
    
    }
			~_FIN() {
    
     if (rethrow) objc_exception_throw(rethrow); }
			id rethrow;
		} _fin_force_rethow(_rethrow);}
	}
}

synchronized调用了try catch，内部调用了objc_sync_enter和objc_sync_exit。

objc_sync_enter

// Begin synchronizing on 'obj'. 
// Allocates recursive mutex associated with 'obj' if needed.
// Returns OBJC_SYNC_SUCCESS once lock is acquired.  
//开始同步'obj'。
//如果需要，分配与'obj'关联的递归互斥。
//获取锁后返回OBJC_SYNC_SUCCESS。
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;
}

BREAKPOINT_FUNCTION(
    void objc_sync_nil(void)
);

• 首先从它的注释中recursive mutex可以得出@synchronized是递归锁
• 如果加锁的对象obj不存在时分别会走objc_sync_nil()和不做任何操作。这也是@synchronized作为递归锁但能防止死锁的原因所在：在不断递归的过程中如果对象不存在了就会停止递归从而防止死锁。
• 正常情况下（obj存在）会通过id2data方法生成一个SyncData对象

typedef struct alignas(CacheLineSize) SyncData {
    
    
	struct SyncData* nextData;
	DisguisedPtr<objc_object> object;
	int32_t threadCount;  // number of THREADS using this block
	recursive_mutex_t mutex;
} SyncData;

• • nextData指的是链表中下一个SyncData
• • object指的是当前加锁的对象
• • threadCount表示使用该对象进行加锁的线程数
• • mutex即对象所关联的锁

objc_sync_exit

// End synchronizing on 'obj'. 
// Returns OBJC_SYNC_SUCCESS or OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR
int objc_sync_exit(id obj)
{
    
    
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    
    if (obj) {
    
    
        SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
        if (!data) {
    
    
            result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
        } else {
    
    
            bool okay = data->mutex.tryUnlock();
            if (!okay) {
    
    
                result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
            }
        }
    } else {
    
    
        // @synchronized(nil) does nothing
    }
	

    return result;
}

注意事项

• 不能使用非OC对象作为加锁条件——id2data中接收参数为id类型
• 多次锁同一个对象会有什么后果吗——会从高速缓存中拿到data，所以只会锁一次对象
• 都说@synchronized性能低——是因为在底层增删改查消耗了大量性能
• 加锁对象不能为nil，否则加锁无效，不能保证线程安全

NSLock

NSLock是非递归锁;NSLock是对互斥锁的简单封装.
NSLock在AFNetworking的AFURLSessionManager中有使用到

如果对非递归锁强行使用递归调用，就会在调用时发生堵塞，并非死锁，第一次加锁之后还没出锁就进行递归调用，第二次加锁就堵塞了线程。（因为不会查询缓存）

- (void)test {
    
    
    self.testArray = [NSMutableArray array];
    NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
    for (int i = 0; i < 200000; i++) {
    
    
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    
    
            [lock lock];
            self.testArray = [NSMutableArray array];
            [lock unlock];
        });
    }
}

从官方文档的解释里看的更清楚，在同一线程上调用NSLock的两次lock方法将永久锁定线程。同时官方文档重点提醒向NSLock对象发送解锁消息时，必须确保该消息是从发送初始锁定消息的同一线程发送的。

NSRecursiveLock

NSRecursiveLock是递归锁

- (void)test {
    
    
    NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    
    
        static void (^block)(int);
        
        block = ^(int value) {
    
    
            [lock lock];
            if (value > 0) {
    
    
                NSLog(@"value——%d", value);
                block(value - 1);
            }
            [lock unlock];
        };
        block(10);
    });
}

如果我们在外层添加for循环

- (void)test {
    
    
    NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    
    
            static void (^block)(int);
            
            block = ^(int value) {
    
    
                [lock lock];
                if (value > 0) {
    
    
                    NSLog(@"value——%d", value);
                    block(value - 1);
                }
                [lock unlock];
            };
            block(10);
        });
    }
}

程序就崩了。

因为for循环在block内部对同一个对象进行了多次锁操作，直到这个资源身上挂着N把锁，最后大家都无法一次性解锁，也就是找不到解锁的出口。

即线程1中加锁1、同时线程2中加锁2-> 解锁1等待解锁2 -> 解锁2等待解锁1 -> 无法结束解锁——形成死锁

此时我们可以通过@synchronized对对象进行锁操作，会先从缓存查找是否有锁syncData存在。如果有，直接返回而不加锁，保证锁的唯一性。

同一线程可以多次获取而不会导致死锁的锁。

信号量

信号量（semaphore）：是一种更高级的同步机制，互斥锁可以说是 semaphore 在仅取值 0/1 时的特例。信号量可以有更多的取值空间，用来实现更加复杂的同步，而不单单是线程间互斥。

// 初始化
dispatch_semaphore_t semaphore_t = dispatch_semaphore_create(1);
// 加锁
dispatch_semaphore_wait(semaphore_t,DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 解锁
dispatch_semaphore_signal(semaphore_t);
/*
注: dispatch_semaphore  其他两个功能
1.还可以起到阻塞线程的作用.
2.可以实现定时器功能,这里不做过多介绍.
*/

条件锁

就是条件变量，当进程的某些资源要求不满足时就进入休眠，也就是锁住了。当资源被分配到了，条件锁打开，进程继续运行。
在一定条件下，让其等待休眠，并放开锁，等接收到信号或者广播，会从新唤起线程，并重新加锁，像NSCondition封装了pthread_mutex的以上几个函数，NSConditionLock封装了NSCondition。

NSCondition

NSCondition是一个条件锁，可能平时用的不多，但与信号量相似：线程1需要等到条件1满足才会往下走，否则就会堵塞等待，直至条件满足。

// 初始化
NSCondition *_condition= [[NSCondition alloc]init];
// 加锁
[_condition lock];
// 解锁
[_condition unlock];
/*
其他功能接口
wait 进入等待状态
waitUntilDate:让一个线程等待一定的时间
signal 唤醒一个等待的线程
broadcast 唤醒所有等待的线程
*/

我们可以看出：

• NSCondition是对mutex和cond的一种封装（cond就是用于访问和操作特定类型数据的指针）
• wait操作会阻塞线程，使其进入休眠状态，直至超时
• signal操作是唤醒一个正在休眠等待的线程
• broadcast会唤醒所有正在等待的线程

NSConditionLock

// 初始化
NSConditionLock *_conditionLock = [[NSConditionLock alloc]init];
// 加锁
[_conditionLock lock];
// 解锁
[_conditionLock unlock];
// 尝试加锁，可以加锁则立即加锁并返回 YES,反之返回 NO
[_conditionLock tryLock];
/*
其他功能接口
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER; //初始化传入条件
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;//条件成立触发锁
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;//尝试条件成立触发锁
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;//条件成立解锁
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;//触发锁 在等待时间之内
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;//触发锁 条件成立 并且在等待时间之内
*/

• NSConditionLock是NSCondition加线程数的封装
• NSConditionLock可以设置锁条件，而NSCondition只是通知信号

读写锁

读写锁实际是一种特殊的自旋锁，它把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作。这种锁相对于自旋锁而言，能提高并发性，因为在多处理器系统中，它允许同时有多个读者来访问共享资源，最大可能的读者数为实际的CPU数
写者是排他性的，⼀个读写锁同时只能有⼀个写者或多个读者（与CPU数相关），但不能同时既有读者⼜有写者。在读写锁保持期间也是抢占失效的
如果读写锁当前没有读者，也没有写者，那么写者可以⽴刻获得读写锁，否则它必须⾃旋在那⾥，直到没有任何写者或读者。如果读写锁没有写者，那么读者可以⽴即获得该读写锁，否则读者必须⾃旋在那⾥，直到写者释放该读写锁。

// 导入头文件
#import <pthread.h>
//普通初始化
// 全局声明读写锁
pthread_rwlock_t lock;
// 初始化读写锁
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
//宏定义初始化
pthread_rwlock_t lock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

// 读操作-加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读操作-尝试加锁
pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);
// 写操作-加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写操作-尝试加锁
pthread_rwlock_trywrlock(&lock);
// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 释放锁
pthread_rwlock_destroy(&lock);

总结

• OSSpinLock不再安全，底层用os_unfair_lock替代
• atomic只能保证setter、getter时线程安全，所以更多的使用nonatomic来修饰
• 读写锁更多使用栅栏函数来实现
• @synchronized在底层维护了一个哈希链表进行data的存储，使用recursive_mutex_t进行加锁
• NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition和NSConditionLock底层都是对pthread_mutex的封装
• NSCondition和NSConditionLock是条件锁，当满足某一个条件时才能进行操作，和信号量dispatch_semaphore类似
• 普通场景下涉及到线程安全，可以用NSLock
• 循环调用时用NSRecursiveLock
• 循环调用且有线程影响时，请注意死锁，如果有死锁问题请使用@synchronized