iOS的线程安全与锁

在iOS编码中，锁的出现其实是因为多线程会出现线程安全的问题。那么，问题来了，什么是线程安全？为什么锁可以解决线程安全问题？单线程是不是绝对的线程安全？iOS编程有多少种锁？加解锁的效率如何？......

一、什么是线程安全？

WIKI: Thread-safe code only manipulates shared data structures in a manner that ensures that all threads behave properly and fulfil their design specifications without unintended interaction.

用人话来说：多线程操作共享数据不会出现想不到的结果就是线程安全的，否则，是线程不安全的。

举个例子：

NSInteger total = 0;
- (void)threadNotSafe {
    for (NSInteger index = 0; index < 3; index++) {
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
            total += 1;
            NSLog(@"total: %ld", total);
            total -= 1;
            NSLog(@"total: %ld", total);
        });
    }
}
//第一次输出：
2017-11-28 23:34:11.551570+0800 BasicDemo[75679:5312246] total: 1
2017-11-28 23:34:11.551619+0800 BasicDemo[75679:5312248] total: 3
2017-11-28 23:34:11.551618+0800 BasicDemo[75679:5312249] total: 2
2017-11-28 23:34:11.552120+0800 BasicDemo[75679:5312246] total: 2
2017-11-28 23:34:11.552143+0800 BasicDemo[75679:5312248] total: 1
2017-11-28 23:34:11.552171+0800 BasicDemo[75679:5312249] total: 0
//第二次输出
2017-11-28 23:34:55.738947+0800 BasicDemo[75683:5313401] total: 1
2017-11-28 23:34:55.738979+0800 BasicDemo[75683:5313403] total: 2
2017-11-28 23:34:55.738985+0800 BasicDemo[75683:5313402] total: 3
2017-11-28 23:34:55.739565+0800 BasicDemo[75683:5313401] total: 2
2017-11-28 23:34:55.739570+0800 BasicDemo[75683:5313402] total: 1
2017-11-28 23:34:55.739577+0800 BasicDemo[75683:5313403] total: 0
NSInteger total = 0;
NSLock *lock = [NSLock new];
- (void)threadSafe {
    for (NSInteger index = 0; index < 3; index++) {
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
            [lock lock];
            total += 1;
            NSLog(@"total: %ld", total);
            total -= 1;
            NSLog(@"total: %ld", total);
            [lock unlock];
        });
    }
}
//第一次输出
2017-11-28 23:35:37.696614+0800 BasicDemo[75696:5314483] total: 1
2017-11-28 23:35:37.696928+0800 BasicDemo[75696:5314483] total: 0
2017-11-28 23:35:37.696971+0800 BasicDemo[75696:5314481] total: 1
2017-11-28 23:35:37.696995+0800 BasicDemo[75696:5314481] total: 0
2017-11-28 23:35:37.697026+0800 BasicDemo[75696:5314482] total: 1
2017-11-28 23:35:37.697050+0800 BasicDemo[75696:5314482] total: 0
//第二次输出
2017-11-28 23:36:01.790264+0800 BasicDemo[75700:5315159] total: 1
2017-11-28 23:36:01.790617+0800 BasicDemo[75700:5315159] total: 0
2017-11-28 23:36:01.790668+0800 BasicDemo[75700:5315161] total: 1
2017-11-28 23:36:01.790687+0800 BasicDemo[75700:5315161] total: 0
2017-11-28 23:36:01.790711+0800 BasicDemo[75700:5315160] total: 1
2017-11-28 23:36:01.790735+0800 BasicDemo[75700:5315160] total: 0

第一个函数第一次和第二次调用的结果不一样，换句话说，不能确定代码的运行顺序和结果，是线程不安全的；第二个函数第一次和第二次输出结果一样，可以确定函数的执行结果，是线程安全的。

居于线程安全的含义，知道线程安全是相对于多线程而言的，单线程不会存在线程安全问题。因为，单线程代码的执行顺序是确定的，可以知道代码的执行结果。

二、锁锁锁

线程不安全是由于多线程访问造成的，那么如何解决？

1.既然线程安全问题是由多线程引起的，那么，最极端的可以使用单线程保证线程安全。

2.线程安全是由于多线程访问和修改共享资源而引起不可预测的结果，因此，如果都是访问共享资源而不去修改共享资源也可以保证线程安全，比如：设置只读属性的全局变量。

3.使用锁。

引用 ibireme 在《不再安全的 OSSpinLock》中的一张图片说明加解锁的效率：

我也下载了 ibireme 在 GitHub 上面的Demo来跑过（环境 iPhone6 iOS11.1）。发现，不同的循环次数，结果都不一样，并没有得到和 ibireme 一样的结果。所以，上面的柱状图也只做一个定向分析，并不是很准确的结果。

下面会对这些锁的实现原理和用法做简单的总结和处理（详细的实现原理，可以看 bestswift 的这篇文章《深入理解 iOS 开发中的锁》）：

OSSpinLock：

自旋锁的实现原理比较简单，就是死循环。当a线程获得锁以后，b线程想要获取锁就需要等待a线程释放锁。在没有获得锁的期间，b线程会一直处于忙等的状态。如果a线程在临界区的执行时间过长，则b线程会消耗大量的cpu时间，不太划算。所以，自旋锁用在临界区执行时间比较短的环境性能会很高。

自旋锁的代码实现：

#import OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
OSSpinLockLock(&lock);
//需要执行的代码
OSSpinLockUnlock(&lock);
//OSSPINLOCK_DEPRECATED_REPLACE_WITH(os_unfair_lock)
//苹果在OSSpinLock注释表示被废弃，改用不安全的锁替代

dispatch_semaphore：

dispatch_semaphore实现的原理和自旋锁有点不一样。首先会先将信号量减一，并判断是否大于等于0，如果是，则返回0，并继续执行后续代码，否则，使线程进入睡眠状态，让出cpu时间。直到信号量大于0或者超时，则线程会被重新唤醒执行后续操作。

dispatch_semaphore_t lock = dispatch_semaphore_create(1);    //传入的参数必须大于或者等于0，否则会返回Null
long wait = dispatch_semaphore_wait(lock, DISPATCH_TIME_FOREVER);    //wait = 0，则表示不需要等待，直接执行后续代码；wait != 0，则表示需要等待信号或者超时，才能继续执行后续代码。lock信号量减一，判断是否大于0，如果大于0则继续执行后续代码；lock信号量减一少于或者等于0，则等待信号量或者超时。
//需要执行的代码
long signal = dispatch_semaphore_signal(lock);    //signal = 0，则表示没有线程需要其处理的信号量，换句话说，没有需要唤醒的线程；signal != 0，则表示有一个或者多个线程需要唤醒，则唤醒一个线程。（如果线程有优先级，则唤醒优先级最高的线程，否则，随机唤醒一个线程。）

pthread_mutex：

pthread_mutex表示互斥锁，和信号量的实现原理类似，也是阻塞线程并进入睡眠，需要进行上下文切换。

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
    
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init(&lock, &attr);    //设置属性
    
pthread_mutex_lock(&lock);    //上锁
//需要执行的代码
pthread_mutex_unlock(&lock);    //解锁

NSLock：

NSLock在内部封装了一个 pthread_mutex，属性为 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK。

NSLock *lock = [NSLock new];
[lock lock];
//需要执行的代码
[lock unlock];

NSCondition：

NSCondition封装了一个互斥锁和条件变量。互斥锁保证线程安全，条件变量保证执行顺序。

NSCondition *lock = [NSCondition new];
[lock lock];
//需要执行的代码
[lock unlock];

pthread_mutex(recursive)：

pthread_mutex锁的一种，属于递归锁。一般一个线程只能申请一把锁，但是，如果是递归锁，则可以申请很多把锁，只要上锁和解锁的操作数量就不会报错。

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init(&lock, &attr);    //设置属性
    
pthread_mutex_lock(&lock);    //上锁
//需要执行的代码
pthread_mutex_unlock(&lock);    //解锁

NSRecursiveLock：

递归锁，pthread_mutex(recursive)的封装。

NSRecursiveLock *lock = [NSRecursiveLock new];
[lock lock];
//需要执行的代码
[lock unlock];

NSConditionLock：

NSConditionLock借助 NSCondition 来实现，本质是生产者-消费者模型。

NSConditionLock *lock = [NSConditionLock new];
[lock lock];
//需要执行的代码
[lock unlock];

@synchronized：

一个对象层面的锁，锁住了整个对象，底层使用了互斥递归锁来实现。

NSObject *object = [NSObject new];
@synchronized(object) {
  //需要执行的代码
}

三、总结

这里只是一些简单的总结，更多深入的研究请自行 Google。

参考：

深入理解 iOS 开发中的锁

不再安全的 OSSpinLock

Threading Programming Guide

关于 @synchronized，这儿比你想知道的还要多

OS中保证线程安全的几种方式与性能对比

iOS 常见知识点（三）：Lock

iOS多线程到底不安全在哪里？