objective-c 开发语言 iOS的多线程安全隐患与线程同步方案

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。

文章目录

1、多线程的安全隐患2、多线程同步解决方案2.1、OSSpinLock 自旋锁2.2、os_unfair_lock 互斥锁2.3、pthread_mutex2.3.1、pthread_mutex - 普通锁2.3.2、pthread_mutex – 条件锁2.3.3、pthread_mutex – 递归锁2.3.4、NSLock、NSRecursiveLock2.3.5、NSCondition、NSConditionLock

2.4、dispatch_semaphore 信号量2.4、dispatch_queue2.5、@synchronized（不推荐）2.6、atomic 原子性（不推荐）2.7、读写安全2.7.1、pthread_rwlock_t - 读写锁2.7.2、dispatch barrier - 异步栅栏

3、线程同步方案性能比较4、问答拓展4.1、GNUstep4.2、线程安全的处理手段有哪些？4.3、OC你了解的锁有哪些？4.3.1、自旋和互斥对比？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！

1、多线程的安全隐患

隐患分析：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

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 。

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 。

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

@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。

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。

代码示例：

#import "ViewController.h"

#import

@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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