iOS知識梳理 - 多線程（3）鎖

多線程模型下，由於共享內存帶來的衝突風險，鎖是個避不開的話題。

關於鎖

首先從平臺無關的角度看，從能力上區分，主要有以下幾種鎖：

1. 互斥鎖（mutex）：最普通的鎖，阻塞等待，一種二元鎖機制，只允許一個線程進入臨界區
2. 自旋鎖（spin lock）：能力上跟互斥鎖一樣的，只是它是忙等待
3. 信號量（semaphore）：信號量可以理解爲互斥鎖的推廣形態，即互斥鎖取值0/1，而信號量可以取更多的值，從而應對更復雜的同步。
4. 條件鎖（condition lock）：有時候互斥的條件是複雜的而不是簡單的數量上的競爭，此時可以用條件鎖，條件鎖的加鎖解鎖是通過代碼觸發的。
5. 讀寫鎖（read-write lock）：顧名思義，就像文件讀寫，讀操作之間並不互斥，但寫操作與任何操作互斥。
6. 遞歸鎖（recursivelock）：互斥鎖的一個特例，允許同一個線程在未釋放其擁有的鎖時反覆對該鎖進行加鎖操作。

所有的鎖，語義上基本就這幾種，

iOS中的鎖

以API提供者的維度梳理一下iOS的鎖

1. 內核

   1. OSSpinLock：內核提供的自旋鎖，已廢棄
   2. os_unfair_lock：iOS10後官方推薦用來替代OSSpinLock的方案，性能很好

2. pthread：POSIX標準真的是大而全...啥都有

   1. pthread_mutex：pthread的互斥鎖
   2. pthread_rwlock：pthread的讀寫鎖
   3. pthread_cond_t ：pthread的條件鎖
   4. sem_t：pthread的信號量
   5. pthread_spin_lock：pthread的自旋鎖

3. GCD

   1. dispatch_semaphore：gcd的信號量

4. Cocoa Foundation

   1. NSLock：CF的互斥鎖
   2. NSCondition：條件變量
   3. NSConditionLock：條件鎖，在條件變量之上做了封裝
   4. NSRecursiveLock

5. objc runtime

   1. synchronized：本質上是pthread_mutex的上層封裝，參考這裏

以上，相對全面地列舉了iOS中的鎖，它們是不同層級的庫提供的，但由於iOS中所有的線程本質上都是內核級線程，因此這些鎖是能夠公用的。

1. 串行隊列
2. dispatch_barrier_async：柵欄函數，隔離前後的任務
3. atomic

性能對比

環境：iPhone 7 plus + iOS 11

基於YY老師 不再安全的 OSSpinLock 中的性能對比代碼，加入了os_unfair_lock，重新跑的一個性能對比。測試代碼在這裏

上面測試的是純粹的加鎖解鎖性能，中間沒有任何邏輯也不存在多線程搶佔，爲了更貼合我們的實際環境，我構造了一個簡單的多線程環境：NSOperationQueue最大併發數爲10，創建10個NSOperation，每個NSOperation做10w次i++操作，每次操作加鎖，代碼在這裏，結果如下：

可以看到多線程搶佔的情形下結果跟前面略有不同，在真實業務場景下這個數據應該更有參考意義。

如何選擇

由於OSSpinLock存在的優先級反轉問題，已經廢棄不再使用。（參考：不再安全的 OSSpinLock ）

1. 一般場景，直接用@synchronized。使用最方便。一般業務開發場景，鎖的性能影響不大，能力上也只需要簡單的互斥鎖，因此怎麼方便怎麼來。而且@synchronized性能也沒有差太多。
2. 性能苛刻的場景：os_unfair_lock，自旋鎖廢棄後官方推薦的替代品，性能優異。
3. 需要信號量：dispatch_semaphore
4. 需要條件鎖：NSCondition
5. 需要讀寫鎖：pthread_rwlock
6. 需要遞歸鎖：NSRecursiveLock

使用

1. 自旋鎖 OSSpinLock

自旋鎖是這些鎖中唯一一個依靠忙等待實現的鎖，也就是說可以理解成一個暴力的while循環，因此會浪費較多的CPU，但它是所有鎖中性能最高的。適用於對時延要求比較苛刻、臨界區計算量比較小、本身CPU不存在瓶頸的場景。

但是現在不能用了。YY老師在不再安全的 OSSpinLock 中講得很清楚了，當低優先級的線程已進入臨界區，高優先級的線程想要獲取資源就需要忙等待，佔用大量CPU，導致低優先級線程遲遲不能執行完臨界區代碼，導致類死鎖的問題。

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傳入參數是信號量的值，在這裏就是能夠同時進入臨界區的線程數。dispatch_semaphore_wait，當信號量大於0時減一併進入臨界區，如果信號量等於0則等待直到信號量不爲0或到達設定時間。dispatch_semaphore_signal使信號量加1。

5. NSLock

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

6. NSCondition

條件鎖，以生產者消費者模型爲例

NSCondition *condition = [NSCondition new];

// Thread 1: 消費者
- (void)consumer
{
  [condition lock];
  while(conditionNotSatisfied){
    [condition wait]
  }
  // 消費邏輯
  consume();
  [condition unlock];
}

// Thread 2: 生產者
- (void)producer
{
  [condition lock];
  // 生產邏輯
  produce();
  [condition signal];
  [condition unlock];
}

7. NSConditionLock

條件鎖，跟NSCondition差不多，對條件做了封裝，簡化了使用但也沒NSCondition那麼靈活了。

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

// Thread 1: 消費者
- (void)consumer
{
  [condition lockWhenCondition:1];
  while(conditionNotSatisfied){
    [condition wait]
  }
  // 消費邏輯
  consume();
  [condition unlockWithCondition:0];
}

// Thread 2: 生產者
- (void)producer
{
  [condition lock];
  // 生產邏輯
  produce();
  [condition unlockWithCondition:1];
}

8. NSRecursiveLock

可以遞歸調用的互斥鎖。

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

9. @synchronized

普通的鎖，用着方便。

@synchronized(self) {
    // do something
}

10. pthread_rwlock

讀寫鎖，一般也不怎麼用得上，這裏給了個字典set/get的例子，但是實際業務場景，通常普通的互斥鎖就可以了。

在讀操作比寫操作多很多的情況下，讀寫鎖的收益比較可觀。

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

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