一嘴纺、前言
線程安全往往是面試的時(shí)候問到的多看峻,但是現(xiàn)實(shí)開發(fā)中往往容易忽略不深思,知其然不知其所以然未桥,線程安全有多種方式:如@synchronized笔刹、NSLock、dispatch_semaphore冬耿、NSCondition舌菜、pthread_mutex、OOSpinLock等亦镶。它們的實(shí)現(xiàn)方式各不相同日月,性能也不同。例如我們經(jīng)常用到的@synchronized是性能最差的缤骨。下面先介紹每個(gè)加鎖的使用方式爱咬,再進(jìn)行性能對(duì)比
二、介紹與使用
# 2.1荷憋、@synchornized
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
@synchronized(obj) {
NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
sleep(3);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
}
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
sleep(1);
@synchronized(obj) {
NSLog(@"需要線程同步的操作2");
}
});
@synchronized(obj)指令使用obj為該鎖的唯一標(biāo)示台颠,只有當(dāng)標(biāo)示相同時(shí)才滿足互斥褐望,使用的有優(yōu)點(diǎn)是不需要手動(dòng)去創(chuàng)建鎖對(duì)象勒庄,缺點(diǎn)是會(huì)自動(dòng)添加隱式的異常處理,當(dāng)異常拋出時(shí)自動(dòng)的釋放互斥鎖瘫里。
2.2实蔽、disptch_semaphore
dispatch_semaphore_t signal = dispatch_semaphore_create(1);
dispatch_time_t overTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 3 * NSEC_PER_SEC);
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
dispatch_semaphore_wait(signal, overTime);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
sleep(2);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
dispatch_semaphore_signal(signal);
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
sleep(1);
dispatch_semaphore_wait(signal, overTime);
NSLog(@"需要線程同步的操作2");
dispatch_semaphore_signal(signal);
});
dispatch_semaphore是GCD用來(lái)同步的一種方式,與他相關(guān)的共有三個(gè)函數(shù)谨读,分別是dispatch_semaphore_create局装,dispatch_semaphore_signal,dispatch_semaphore_wait劳殖。
(1)dispatch_semaphore_create的聲明為:
dispatch_semaphore_t dispatch_semaphore_create(long value);```
傳入的參數(shù)為long铐尚,輸出一個(gè)dispatch_semaphore_t類型且值為value的信號(hào)量。
值得注意的是哆姻,這里的傳入的參數(shù)value必須大于或等于0宣增,否則dispatch_semaphore_create會(huì)返回NULL。
(2)dispatch_semaphore_signal的聲明為:
long dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema);```
這個(gè)函數(shù)會(huì)使傳入的信號(hào)量dsema的值加1矛缨;
(3) dispatch_semaphore_wait的聲明為:
long dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout);
這個(gè)函數(shù)會(huì)使傳入的信號(hào)量dsema的值減1爹脾;這個(gè)函數(shù)的作用是這樣的帖旨,如果dsema信號(hào)量的值大于0,該函數(shù)所處線程就繼續(xù)執(zhí)行下面的語(yǔ)句灵妨,并且將信號(hào)量的值減1解阅;如果desema的值為0,那么這個(gè)函數(shù)就阻塞當(dāng)前線程等待timeout(注意timeout的類型為dispatch_time_t泌霍,不能直接傳入整形或float型數(shù))货抄,如果等待的期間desema的值被dispatch_semaphore_signal函數(shù)加1了,且該函數(shù)(即dispatch_semaphore_wait)所處線程獲得了信號(hào)量朱转,那么就繼續(xù)向下執(zhí)行并將信號(hào)量減1碉熄。如果等待期間沒有獲取到信號(hào)量或者信號(hào)量的值一直為0,那么等到timeout時(shí)肋拔,其所處線程自動(dòng)執(zhí)行其后語(yǔ)句锈津。
dispatch_semaphore 是信號(hào)量,但當(dāng)信號(hào)總量設(shè)為 1 時(shí)也可以當(dāng)作鎖來(lái)凉蜂。在沒有等待情況出現(xiàn)時(shí)琼梆,它的性能比 pthread_mutex 還要高,但一旦有等待情況出現(xiàn)時(shí)窿吩,性能就會(huì)下降許多茎杂。相對(duì)于 OSSpinLock 來(lái)說,它的優(yōu)勢(shì)在于等待時(shí)不會(huì)消耗 CPU 資源纫雁。
如上的代碼煌往,如果超時(shí)時(shí)間overTime設(shè)置成>2,可完成同步操作轧邪。如果overTime<2的話刽脖,在線程1還沒有執(zhí)行完成的情況下,此時(shí)超時(shí)了忌愚,將自動(dòng)執(zhí)行下面的代碼曲管。
上面代碼的執(zhí)行結(jié)果為:
2016-06-29 20:47:52.324 SafeMultiThread[35945:579032] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-29 20:47:55.325 SafeMultiThread[35945:579032] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2016-06-29 20:47:55.326 SafeMultiThread[35945:579033] 需要線程同步的操作2
如果把超時(shí)時(shí)間設(shè)置為<2s的時(shí)候,執(zhí)行的結(jié)果就是:
2016-06-30 18:53:24.049 SafeMultiThread[30834:434334] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-30 18:53:25.554 SafeMultiThread[30834:434332] 需要線程同步的操作2
2016-06-30 18:53:26.054 SafeMultiThread[30834:434334] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2.3硕糊、
NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
//[lock lock];
[lock lockBeforeDate:[NSDate date]];
NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
sleep(2);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
[lock unlock];
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
sleep(1);
if ([lock tryLock]) {//嘗試獲取鎖院水,如果獲取不到返回NO,不會(huì)阻塞該線程
NSLog(@"鎖可用的操作");
[lock unlock];
}else{
NSLog(@"鎖不可用的操作");
}
NSDate *date = [[NSDate alloc] initWithTimeIntervalSinceNow:3];
if ([lock lockBeforeDate:date]) {//嘗試在未來(lái)的3s內(nèi)獲取鎖简十,并阻塞該線程檬某,如果3s內(nèi)獲取不到恢復(fù)線程, 返回NO,不會(huì)阻塞該線程
NSLog(@"沒有超時(shí),獲得鎖");
[lock unlock];
}else{
NSLog(@"超時(shí)螟蝙,沒有獲得鎖");
}
});
NSLock是Cocoa提供給我們最基本的鎖對(duì)象恢恼,這也是我們經(jīng)常所使用的,除lock和unlock方法外胶逢,NSLock還提供了tryLock和lockBeforeDate:兩個(gè)方法厅瞎,前一個(gè)方法會(huì)嘗試加鎖饰潜,如果鎖不可用(已經(jīng)被鎖住),剛并不會(huì)阻塞線程和簸,并返回NO彭雾。lockBeforeDate:方法會(huì)在所指定Date之前嘗試加鎖,如果在指定時(shí)間之前都不能加鎖锁保,則返回NO薯酝。
上面代碼的執(zhí)行結(jié)果為:
2016-06-29 20:45:08.864 SafeMultiThread[35911:575795] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-29 20:45:09.869 SafeMultiThread[35911:575781] 鎖不可用的操作
2016-06-29 20:45:10.869 SafeMultiThread[35911:575795] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2016-06-29 20:45:10.870 SafeMultiThread[35911:575781] 沒有超時(shí),獲得鎖
源碼定義如下:
@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end
@interface NSLock : NSObject {
@private
void *_priv;
}
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@property (nullable, copy) NSString *name NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
@end
2.4爽柒、NSRecursiveLock遞歸鎖
//NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
static void (^RecursiveMethod)(int);
RecursiveMethod = ^(int value) {
[lock lock];
if (value > 0) {
NSLog(@"value = %d", value);
sleep(1);
RecursiveMethod(value - 1);
}
[lock unlock];
};
RecursiveMethod(5);
});
NSRecursiveLock實(shí)際上定義的是一個(gè)遞歸鎖吴菠,這個(gè)鎖可以被同一線程多次請(qǐng)求,而不會(huì)引起死鎖浩村。這主要是用在循環(huán)或遞歸操作中做葵。
這段代碼是一個(gè)典型的死鎖情況。在我們的線程中心墅,RecursiveMethod是遞歸調(diào)用的酿矢。所以每次進(jìn)入這個(gè)block時(shí),都會(huì)去加一次鎖怎燥,而從第二次開始瘫筐,由于鎖已經(jīng)被使用了且沒有解鎖,所以它需要等待鎖被解除铐姚,這樣就導(dǎo)致了死鎖策肝,線程被阻塞住了。調(diào)試器中會(huì)輸出如下信息:
2016-06-30 19:08:06.393 SafeMultiThread[30928:449008] value = 5
2016-06-30 19:08:07.399 SafeMultiThread[30928:449008] -[NSLock lock]: deadlock ( ``(null)``)
2016-06-30 19:08:07.399 SafeMultiThread[30928:449008] Break on _NSLockError() to debug.
在這種情況下隐绵,我們就可以使用NSRecursiveLock之众。它可以允許同一線程多次加鎖,而不會(huì)造成死鎖氢橙。遞歸鎖會(huì)跟蹤它被lock的次數(shù)酝枢。每次成功的lock都必須平衡調(diào)用unlock操作。只有所有達(dá)到這種平衡悍手,鎖最后才能被釋放,以供其它線程使用袍患。
如果我們將NSLock代替為NSRecursiveLock坦康,上面代碼則會(huì)正確執(zhí)行。
2016-06-30 19:09:41.414 SafeMultiThread[30949:450684] value = 5
2016-06-30 19:09:42.418 SafeMultiThread[30949:450684] value = 4
2016-06-30 19:09:43.419 SafeMultiThread[30949:450684] value = 3
2016-06-30 19:09:44.424 SafeMultiThread[30949:450684] value = 2
2016-06-30 19:09:45.426 SafeMultiThread[30949:450684] value = 1
如果需要其他功能诡延,源碼定義如下:
@interface NSRecursiveLock : NSObject {
@private
void *_priv;
}
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@property (nullable, copy) NSString *name NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
@end
2.5滞欠、NSConditionLock條件鎖
NSMutableArray *products = [NSMutableArray array];
NSInteger HAS_DATA = 1;
NSInteger NO_DATA = 0;
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
while (1) {
[lock lockWhenCondition:NO_DATA];
[products addObject:[[NSObject alloc] init]];
NSLog(@"produce a product,總量:%zi",products.count);
[lock unlockWithCondition:HAS_DATA];
sleep(1);
}
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
while(1) {
NSLog(@"wait for product");
[lock lockWhenCondition:HAS_DATA];
[products removeObjectAtIndex:0];
NSLog(@"custome a product");
[lock unlockWithCondition:NO_DATA];
}
});
當(dāng)我們?cè)谑褂枚嗑€程的時(shí)候,有時(shí)一把只會(huì)lock和unlock的鎖未必就能完全滿足我們的使用肆良。因?yàn)槠胀ǖ逆i只能關(guān)心鎖與不鎖筛璧,而不在乎用什么鑰匙才能開鎖逸绎,而我們?cè)谔幚碣Y源共享的時(shí)候,多數(shù)情況是只有滿足一定條件的情況下才能打開這把鎖:
在線程1中的加鎖使用了lock夭谤,所以是不需要條件的棺牧,所以順利的就鎖住了,但在unlock的使用了一個(gè)整型的條件朗儒,它可以開啟其它線程中正在等待這把鑰匙的臨界地颊乘,而線程2則需要一把被標(biāo)識(shí)為2的鑰匙,所以當(dāng)線程1循環(huán)到最后一次的時(shí)候醉锄,才最終打開了線程2中的阻塞乏悄。但即便如此,NSConditionLock也跟其它的鎖一樣恳不,是需要lock與unlock對(duì)應(yīng)的檩小,只是lock,lockWhenCondition:與unlock,unlockWithCondition:是可以隨意組合的烟勋,當(dāng)然這是與你的需求相關(guān)的识啦。
上面代碼執(zhí)行結(jié)果如下:
2016-06-30 20:31:58.699 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product
2016-06-30 20:31:58.699 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:31:58.700 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product
2016-06-30 20:31:58.700 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product
2016-06-30 20:31:59.705 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:31:59.706 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product
2016-06-30 20:31:59.706 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product
2016-06-30 20:32:00.707 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,總量:1
2016-06-30 20:32:00.708 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product
如果你需要其他功能,源碼定義如下:
@interface NSConditionLock : NSObject {
@private
void *_priv;
}
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER;
@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 NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
@end
2.6神妹、NSCondition
NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init];
NSMutableArray *products = [NSMutableArray array];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
while (1) {
[condition lock];
if ([products count] == 0) {
NSLog(@"wait for product");
[condition wait];
}
[products removeObjectAtIndex:0];
NSLog(@"custome a product");
[condition unlock];
}
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
while (1) {
[condition lock];
[products addObject:[[NSObject alloc] init]];
NSLog(@"produce a product,總量:%zi",products.count);
[condition signal];
[condition unlock];
sleep(1);
}
});
一種最基本的條件鎖颓哮。手動(dòng)控制線程wait和signal。
[condition lock];一般用于多線程同時(shí)訪問鸵荠、修改同一個(gè)數(shù)據(jù)源冕茅,保證在同一時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)源只被訪問、修改一次蛹找,其他線程的命令需要在lock 外等待姨伤,只到unlock ,才可訪問
[condition unlock];與lock 同時(shí)使用
[condition wait];讓當(dāng)前線程處于等待狀態(tài)
[condition signal];CPU發(fā)信號(hào)告訴線程不用在等待庸疾,可以繼續(xù)執(zhí)行
上面代碼執(zhí)行結(jié)果如下:
2018-04-18 14:20:21.236005+0800 ZLTestDemo[882:73671] wait for product
2018-04-18 14:20:21.236223+0800 ZLTestDemo[882:73670] produce a product,總量:1
2018-04-18 14:20:21.236415+0800 ZLTestDemo[882:73671] custome a product
2018-04-18 14:20:21.236571+0800 ZLTestDemo[882:73671] wait for product
2018-04-18 14:20:22.241084+0800 ZLTestDemo[882:73670] produce a product,總量:1
2018-04-18 14:20:22.241406+0800 ZLTestDemo[882:73671] custome a product
2018-04-18 14:20:22.241607+0800 ZLTestDemo[882:73671] wait for product
2018-04-18 14:20:23.242782+0800 ZLTestDemo[882:73670] produce a product,總量:1
2018-04-18 14:20:23.243003+0800 ZLTestDemo[882:73671] custome a product
2.7乍楚、pthread_mutex
__block pthread_mutex_t theLock;
pthread_mutex_init(&theLock, NULL);
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
pthread_mutex_lock(&theLock);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
sleep(3);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
pthread_mutex_unlock(&theLock);
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
sleep(1);
pthread_mutex_lock(&theLock);
NSLog(@"需要線程同步的操作2");
pthread_mutex_unlock(&theLock);
});
c語(yǔ)言定義下多線程加鎖方式。
1:pthread_mutex_init(pthread_mutex_t mutex,const pthread_mutexattr_t attr);
初始化鎖變量mutex届慈。attr為鎖屬性徒溪,NULL值為默認(rèn)屬性。
2:pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t mutex);加鎖
3:pthread_mutex_tylock(*pthread_mutex_t *mutex);加鎖金顿,但是與2不一樣的是當(dāng)鎖已經(jīng)在使用的時(shí)候臊泌,返回為EBUSY,而不是掛起等待揍拆。
4:pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);釋放鎖
5:pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex);使用完后釋放
代碼執(zhí)行操作結(jié)果如下:
2016-06-30 21:13:32.440 SafeMultiThread[31429:548869] 需要線程同步的操作1 開始
2016-06-30 21:13:35.445 SafeMultiThread[31429:548869] 需要線程同步的操作1 結(jié)束
2016-06-30 21:13:35.446 SafeMultiThread[31429:548866] 需要線程同步的操作2
2.8渠概、pthread_mutex(recursive)
__block pthread_mutex_t theLock;
//pthread_mutex_init(&theLock, NULL);
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_init(&lock, &attr);
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
static void (^RecursiveMethod)(int);
RecursiveMethod = ^(int value) {
pthread_mutex_lock(&theLock);
if (value > 0) {
NSLog(@"value = %d", value);
sleep(1);
RecursiveMethod(value - 1);
}
pthread_mutex_unlock(&theLock);
};
RecursiveMethod(5);
});
這是pthread_mutex為了防止在遞歸的情況下出現(xiàn)死鎖而出現(xiàn)的遞歸鎖。作用和NSRecursiveLock遞歸鎖類似嫂拴。
如果使用pthread_mutex_init(&theLock, NULL);初始化鎖的話播揪,上面的代碼會(huì)出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象贮喧。如果使用遞歸鎖的形式,則沒有問題猪狈。
2.9箱沦、OSSpinLock
__block OSSpinLock theLock = OS_SPINLOCK_INIT;
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
OSSpinLockLock(&theLock);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 開始");
sleep(3);
NSLog(@"需要線程同步的操作1 結(jié)束");
OSSpinLockUnlock(&theLock);
});
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
OSSpinLockLock(&theLock);
sleep(1);
NSLog(@"需要線程同步的操作2");
OSSpinLockUnlock(&theLock);
});
OSSpinLock 自旋鎖,性能最高的鎖罪裹。原理很簡(jiǎn)單饱普,就是一直 do while 忙等。它的缺點(diǎn)是當(dāng)?shù)却龝r(shí)會(huì)消耗大量 CPU 資源状共,所以它不適用于較長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)套耕。 不過最近YY大神在自己的博客不再安全的 OSSpinLock中說明了OSSpinLock已經(jīng)不再安全,請(qǐng)大家謹(jǐn)慎使用峡继。
三冯袍、性能對(duì)比
對(duì)以上各個(gè)鎖進(jìn)行1000000此的加鎖解鎖的空操作時(shí)間如下:
OSSpinLock: 46.15 ms
dispatch_semaphore: 56.50 ms
pthread_mutex: 178.28 ms
NSCondition: 193.38 ms
NSLock: 175.02 ms
pthread_mutex(recursive): 172.56 ms
NSRecursiveLock: 157.44 ms
NSConditionLock: 490.04 ms
@synchronized: 371.17 ms
總的來(lái)說:
OSSpinLock和dispatch_semaphore的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他。
@synchronized和NSConditionLock效率較差碾牌。
鑒于OSSpinLock的不安全康愤,所以我們?cè)陂_發(fā)中如果考慮性能的話,建議使用dispatch_semaphore舶吗。
如果不考慮性能征冷,只是圖個(gè)方便的話,那就使用@synchronized誓琼。