细数iOS中的线程同步方案(二)

NSLock

这个其实就是对pthread_mutex普通互斥锁的封装；面向对象，使用起来更方便；

- (void)lock;
- (void)unlock;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;

NSRecursiveLock 递归锁

对pthread_mutex递归锁的封装，方法和上面的一样；

NSCondition

对pthread_cond条件锁的封装，使用pthread_cond需要配合pthread_mutex互斥锁使用，NSCondition封装好了,一把锁就能实现：

    NSCondition *lock = [[NSCondition alloc] init];
    
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        [lock lock];
        
        while (self.condition_value <= 0) { // 条件成立则暂时解锁并等待
            [lock wait];
        }
        
        NSLog(@"%@===read===start",[NSThread currentThread]);
        sleep(2);
        NSLog(@"%@===read===end",[NSThread currentThread]);
        
        [lock unlock];
    }];
    
    [queue addOperationWithBlock:^{
        [lock lock];
        
        NSLog(@"%@===write===start",[NSThread currentThread]);
        sleep(3);
        self.condition_value = 1; // 一定要更改条件 否则上面read线程条件成立又会wait
        NSLog(@"%@===write===end",[NSThread currentThread]);
        
        [lock signal]; // 传递信号给等待的线程 而且是在解锁前
//        [lock broadcast] // 通知所有线程
        
        [lock unlock];
    }];

NSConditionLock

对NSCondition的进一步封装，在NSCondition基础上，加了可控制的条件condition；通过条件变量，控制通知哪条线程；

@property (readonly) NSInteger condition;

    NSConditionLock *lock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1]; // 初始化，设置condition=1
    
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
    [queue addOperationWithBlock:^{
        [lock lockWhenCondition:1]; // 当condition=1时 获取锁成功 否则等待（但是首次使用lockWhenCondition时condition不对时也能获取锁成功）
        
        NSLog(@"%@===A===start",[NSThread currentThread]);
        sleep(2);
        NSLog(@"%@===A===end",[NSThread currentThread]);
        
        // unlock根据不同的条件 控制对应的线程
        [lock unlockWithCondition:2]; // 解锁，同时设置condition=2并signal；
//        [lock unlockWithCondition:3];
    }];
    
    [queue addOperationWithBlock:^{
        [lock lockWhenCondition:2];
        
        NSLog(@"%@===B===start",[NSThread currentThread]);
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===B===end",[NSThread currentThread]);
        
        [lock unlock];
    }];
    
    [queue addOperationWithBlock:^{
        [lock lockWhenCondition:3];
        
        NSLog(@"%@===C===start",[NSThread currentThread]);
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===C===end",[NSThread currentThread]);
        
        [lock unlock];
    }];

线程A解锁时可以传不同条件值，对应条件值的其他等待线程就会被唤醒；这里条件值为2，则执行线程B任务；条件设置为3，则执行线程C任务；如果是其他值则线程B，C继续一直等待；

NSThread: 0x282b66340>{number = 6, name = (null)}===A===start
NSThread: 0x282b66340>{number = 6, name = (null)}===A===end
NSThread: 0x282b68240>{number = 3, name = (null)}===B===start
NSThread: 0x282b68240>{number = 3, name = (null)}===B===end

@synchronized

是对mutex递归锁的封装；
@synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作；一个对象对应一把锁；

    NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
    @synchronized (obj) {
        // ...
    }

GCD相关

dispatch_semaphore信号量

这个和上篇讲的semaphore差不多；

// 创建信号量
dispatch_semaphore_t sem = dispatch_semaphore_create(1);
// 判断信号量，如果=0则等待，否则信号值-1往下执行
dispatch_semaphore_wait(sem, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 发送信号量，信号值+1
dispatch_semaphore_signal(sem);

DISPATCH_QUEUE_SERIAL 串行队列

串行队列的任务就是同步执行的；

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("serial_queue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(queue, ^{
    // ThreadA dosomething....
});
dispatch_async(queue, ^{
    // ThreadB dosomething....
});

dispatch_group

将任务分组，组内任务异步执行；当所有任务执行完后，可以通知其他线程执行任务：

    // group必须使用自己创建的并发队列 使用global全局队列无效 
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
//    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0); xxx
    
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===TaskA",[NSThread currentThread]);
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===TaskB",[NSThread currentThread]);
    });
    
    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
        NSLog(@"%@===TaskC",[NSThread currentThread]);
    });
//    dispatch_async(queue, ^{
//        dispatch_group_wait(group, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2 * NSEC_PER_SEC))); // 可以设置等待的超时时间
//        NSLog(@"%@===TaskC",[NSThread currentThread]);
//    });

以上代码对应的场景就是：A,B线程可以并发执行，但C线程一定要在AB线程执行完后再执行；
dispatch_group_notify也可以使用dispatch_group_wait替代，一样是阻塞的作用，而dispatch_group_wait能设置等待超时时间；超过时间将不再阻塞，继续任务；
还有一点需要注意的是，dispatch_group必须使用自己创建的并发队列，使用global全局队列无效，使用串行队列没有意义；

dispatch_barrier

如同它的名字一样，dispatch_barrier就是起到一个栅栏的作用；栅栏两边的任务可以并发执行，栅栏里的任务必须等到栅栏上边的任务执行完才执行，栅栏下边的任务必须等栅栏里的任务执行完后才执行；
dispatch_barrier其实就是阻塞队列的作用；
这个其实也可以通过dispatch_group实现，但dispatch_barrier更加方便；

    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    dispatch_async(queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===TaskA",[NSThread currentThread]);
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===TaskB",[NSThread currentThread]);
    });
    
    // async不会阻塞当前线程（主线程）
    dispatch_barrier_async(queue, ^{
        NSLog(@"%@===Barrier",[NSThread currentThread]);
    });
    // sync会阻塞当前队列（主队列）
//    dispatch_barrier_sync(queue, ^{
//        NSLog(@"%@===Barrier",[NSThread currentThread]);
//    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===TaskC",[NSThread currentThread]);
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"%@===TaskD",[NSThread currentThread]);
    });

    NSLog(@"%@===MainTask",[NSThread currentThread]);

<NSThread: 0x2816bbc40>{number = 1, name = main}===MainTask
<NSThread: 0x2816fe440>{number = 3, name = (null)}===TaskB
<NSThread: 0x2816877c0>{number = 4, name = (null)}===TaskA
<NSThread: 0x2816877c0>{number = 4, name = (null)}===Barrier
<NSThread: 0x2816fe440>{number = 3, name = (null)}===TaskD
<NSThread: 0x2816877c0>{number = 4, name = (null)}===TaskC

dispatch_barrier的使用有两种方式

dispatch_barrier_async
dispatch_barrier_sync

async不会阻塞当前队列，sync同时会阻塞当前队列；如果以上代码换成dispatch_barrier_sync，最终的结果将是MainTask会在Barrier任务后；

基于barrier的这种特性，很容易实现一个读写锁；栅栏内为write，栅栏外为read；这样同样能实现读任务能异步执行，写任务只能同步执行；同时在写操作时，不允许读操作；

    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("concurrent_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    for (int i = 0; i < 3; i ++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            sleep(1);
            NSLog(@"%@===read",[NSThread currentThread]);
        });
    }
    
    for (int i = 0; i < 3; i ++) {
        dispatch_barrier_async(queue, ^{
            sleep(1);
            NSLog(@"%@===write",[NSThread currentThread]);
        });
    }
    
    for (int i = 0; i < 3; i ++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            sleep(1);
            NSLog(@"%@===read",[NSThread currentThread]);
        });
    }

<NSThread: 0x282a04880>{number = 4, name = (null)}===read
 <NSThread: 0x282a13100>{number = 6, name = (null)}===read
 <NSThread: 0x282a050c0>{number = 5, name = (null)}===read
 <NSThread: 0x282a4ee40>{number = 1, name = main}===write
 <NSThread: 0x282a4ee40>{number = 1, name = main}===write
 <NSThread: 0x282a4ee40>{number = 1, name = main}===write
 <NSThread: 0x282a050c0>{number = 5, name = (null)}===read
 <NSThread: 0x282a13400>{number = 7, name = (null)}===read
 <NSThread: 0x282a04880>{number = 4, name = (null)}===read

NSOperation相关

NSOperation是对GCD的封装

最大并发数

NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
// 最大并发数设置为1，queue内任务同步执行
queue.maxConcurrentOperationCount = 1;

设置栅栏

// similarly to the `dispatch_barrier_async` function.
[queue addBarrierBlock:^{

}];

设置依赖关系

使用场景：线程B必须要等线程A任务执行完后才执行，即线程A依赖线程B:

    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
    NSBlockOperation *taskA = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        sleep(2);
        NSLog(@"%@===TaskA",[NSThread currentThread]);
    }];
    NSBlockOperation *taskB = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        sleep(.5);
        NSLog(@"%@===TaskB",[NSThread currentThread]);
    }];
    [taskB addDependency:taskA];
    
    [queue addOperation:taskA];
    [queue addOperation:taskB];

<NSThread: 0x281af5bc0>{number = 6, name = (null)}===TaskA
 <NSThread: 0x281af5bc0>{number = 6, name = (null)}===TaskB

自旋锁、互斥锁比较

前面我们介绍了自旋锁、互斥锁机制的不同，它们各有优点；实际开发中的如何选择呢？

适用自旋锁的情况

线程等待时间比较短（这样忙等的时间不会太长，不会有太大消耗）
加锁的代码（临界区）经常被调用，但竞争情况很少发生
CPU资源不紧张（自旋锁比较耗CPU资源）

相反的，适用互斥锁的情况

线程等待时间比较长
加锁的代码（临界区）复杂，循环度大，或者有IO操作
加锁的代码（临界区）竞争激烈

线程同步方案性能比较

这个直接引用大神的图：

另外，os_unfair_lock锁性能是最好的，可惜最低只支持iOS10;

完整demo

参考：
不再安全的 OSSpinLock

细数iOS中的线程同步方案(二)

NSLock

NSRecursiveLock 递归锁

NSCondition

NSConditionLock

@synchronized

GCD相关

dispatch_semaphore信号量

DISPATCH_QUEUE_SERIAL 串行队列

dispatch_group

dispatch_barrier

NSOperation相关

最大并发数

设置栅栏

设置依赖关系

自旋锁、互斥锁比较

线程同步方案性能比较

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