iOS的多线程安全隐患与线程同步方案

简介: 1、在资源共享时,一块资源可能会被多个线程共享,也就是多个线程可能会访问同一块资源,比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件。2、当多个线程访问同一块资源时,很容易引发数据错乱和数据安全问题。

1、多线程的安全隐患

隐患分析:

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解决方案:


1、使用线程同步技术(同步,就是协同步调,按预定的先后次序进行)

2、常见的线程同步技术是:加锁

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经典案例:买票、存钱取钱、生产消费关系。


2、多线程同步解决方案

OSSpinLock

os_unfair_lock

pthread_mutex

dispatch_semaphore

dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)

NSLock

NSRecursiveLock

NSCondition

NSConditionLock

@synchronized


2.1、OSSpinLock 自旋锁

1、OSSpinLock叫做”自旋锁”,等待锁的线程会处于忙等(busy-wait)状态,一直占用着CPU资源。

2、目前已经不再安全,可能会出现优先级反转问题。

3、如果等待锁的线程优先级较高,它会一直占用着CPU资源,优先级低的线程就无法释放锁。

4、需要导入头文件#import 。

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2.2、os_unfair_lock 互斥锁

1、os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ,从iOS10开始才支持。

2、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。

3、需要导入头文件#import 。

df1177b32b8846c6b931d7a506a6b8cb.png


2.3、pthread_mutex

1、mutex叫做”互斥锁”,等待锁的线程会处于休眠状态。

2、需要导入头文件#import 。


2.3.1、pthread_mutex - 普通锁

// 初始化锁的属性
 pthread_mutexattr_t attr;
 pthread_mutexattr_init(&attr);
 /**
 * @param attr:参数
 * @param type:锁的类型,传NULL也是默认
 */
 pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
 //锁的类型
 #define PTHREAD_MUTEX_NORMAL 0 // 普通锁
 #define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 1 // 检测错误的锁
 #define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 2  // 递归锁
 #define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT PTHREAD_MUTEX_NORMAL
 // 初始化锁
 pthread_mutex_t mutex;
 pthread_mutex_init(&mutex,&attr);
 // 尝试加锁
 pthread_mutex_trylock(&mutex);
 // 加锁
 pthread_mutex_lock(&mutex);
 // 解锁
 pthread_mutex_unlock(&mutex);
 // 销毁相关资源
 pthread_mutexattr_destroy(&attr);
 pthread_mutex_destroy(&mutex);


2.3.2、pthread_mutex – 条件锁

 

// 初始化属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    // NULL代表默认属性
    pthread_mutexattr_settype(&attr, NULL);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
    // 销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
    // 初始化条件
    pthread_cond_t cond;
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    // 等待条件(进入休眠,放开mutex锁;被唤醒后,会再次对mutex加锁)
    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_boradcast(&cond);
    // 销毁相关资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);


适用案例:生产-消费模式


2.3.3、pthread_mutex – 递归锁

如果线程1已经对这把锁进行加锁了,线程2也调用发现这把锁被别的线程加锁了,所以线程2就不能加锁,线程2就会在这里等待。


 

// 初始化这把锁带有的属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    // 设置这把锁属性的类型:
    // PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE递归锁,允许同一个线程对同一把锁进行重复加锁
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutex_init(mutex, &attr);
    // 销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
    // 销毁锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);


2.3.4、NSLock、NSRecursiveLock

1、NSLock是对mutex普通锁的封装。

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


2.3.5、NSCondition、NSConditionLock

1、NSCondition是对条件锁(mutex和cond)的封装。

90fcf8f1e75e4ff7972b287d82958402.png

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

5024b7a1bdf840a2804b6a5b4b9c7e60.png


@interface Demo()
@property (strong, nonatomic) NSConditionLock *conditionLock;
@end
@implementation Demo
- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];
    }
    return self;
}
- (void)test {
  // 1、当首个加锁触发没有添加条件时,那么在初始化的时候,不管设置什么条件,都能正常执行
    [self.conditionLock lock];
    // 2、如果有加条件,那么必须跟设置的条件匹配
    // [self.conditionLock lockWhenCondition:1];
    NSLog(@"test");
    sleep(1);
    [self.conditionLock unlockWithCondition:2];
}
@end


2.4、dispatch_semaphore 信号量

1、semaphore叫做”信号量”。

2、信号量的初始值,可以用来控制线程并发访问的最大数量。

3、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。


// 信号量初始值
    int value = 5;
    // 初始化信号量
    dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
    /**
     * 1、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
     * 2、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(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    // 让信号量的值加1
    dispatch_semaphore_signal(semaphore);


2.4、dispatch_queue

直接使用GCD的串行队列,也是可以实现线程同步。


@interface Demo()
@property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t myQueue;
@end
@implementation Demo
- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        self.myQueue = dispatch_queue_create("myQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    }
    return self;
}
- (void)test1 {
    dispatch_sync(self.myQueue, ^{
        NSLog(@"%s",__func__);
    });
}
- (void)test2 {
    dispatch_sync(self.myQueue, ^{
        NSLog(@"%s",__func__);
    });
}
@end


2.5、@synchronized(不推荐)

1、@synchronized是对mutex递归锁的封装。

2、源码查看:objc4中的objc-sync.mm文件。

3、@synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁,然后进行加锁、解锁操作。

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2.6、atomic 原子性(不推荐)

1、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。

2、可以参考源码objc4的objc-accessors.mm。

3、不能保证使用属性的过程是线程安全的。


2.7、读写安全

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


上面的场景就是典型的 “多读单写”,经常用于文件等数据的读写操作,iOS中的实现方案有:


1、pthread_rwlock:读写锁

2、dispatch_barrier_async:异步栅栏调用


2.7.1、pthread_rwlock_t - 读写锁

读写锁:是计算机程序并发控制的一种同步机制,用于解决读写问题。


读写锁允许并行读、串行写。与互斥锁的一次只有一个线程执行操作相比,性能更高。比如构建缓存系统,将网络资源写入缓存,后期从缓存读取资源。缓存系统必须线程安全,允许并行读取,串行写入(又称多读单写)。


 

// 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_tryrdlock(&lock);
    // 写 - 加锁
    pthread_rwlock_wrlock(&lock);
    // 写 - 尝试加锁
    pthread_rwlock_trywrlock(&lock);
    // 解锁
    pthread_rwlock_unlock(&lock);
    // 毁锁
    pthread_rwlock_destroy(&lock);


2.7.2、dispatch barrier - 异步栅栏

在保护临界区域时,GCD 提供了 dispatch barrier。当执行 barrier 任务时,队列中所有其他任务都会等待。没有执行 barrier 任务时,其他任务并行执行。

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代码示例:


#import "ViewController.h"
#import <pthread.h>
@interface ViewController ()
@property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t queue;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    /**
    * 1、必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
    * 2、如果传入的是串行或全局的并发队列,那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果
    */
    self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
        dispatch_async(self.queue, ^{
            [self read];
        });
        dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
            [self write];
        });
    }
}
- (void)read {
    sleep(1);
    NSLog(@"read");
}
- (void)write {
    sleep(1);
    NSLog(@"write");
}
@end


3、线程同步方案性能比较

性能从高到低排序:


os_unfair_lock:官方自旋锁的替代方案

OSSpinLock:自旋锁,不安全,官方不推荐使用

dispatch_semaphore:信号量

pthread_mutex:mutex普通锁、条件锁

dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL):GCD串行队列实现同步

NSLock:mutex普通锁的OC封装

NSCondition:mutex条件锁的OC封装

pthread_mutex(recursive):mutex递归锁,逻辑相对复杂,所以性能相对比较低

NSRecursiveLock:递归锁的OC封装

NSConditionLock:条件锁NSCondition的进一步封装

@synchronized:mutex递归锁的封装,性能最低,一般在mac应用中使用。


4、问答拓展

4.1、GNUstep

1、GNU计划的项目之一,它将Cocoa的OC库重新开源实现了一遍。

2、虽然不是苹果官方源码,但还是具有一定的参考价值。

3、源码地址:http://www.gnustep.org/resources/downloads.php


4.2、线程安全的处理手段有哪些?

使用线程同步技术:加锁。


4.3、OC你了解的锁有哪些?

在你回答基础上进行二次提问;


4.3.1、自旋和互斥对比?

1.1、什么情况使用自旋锁比较划算?


1、预计线程等待锁的时间很短

2、加锁的代码(临界区)经常被调用,但竞争情况很少发生

3、CPU资源不紧张

4、多核处理器


1.2、什么情况使用互斥锁比较划算?


1、预计线程等待锁的时间较长

1、临界区有IO操作

3、临界区代码复杂或者循环量大、临界区竞争非常激烈

4、单核处理器


4.3.2、使用以上锁需要注意哪些?

4.3.3、用C/OC/C++,任选其一,实现自旋或互斥?口述即可!


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