目录
- 多线程安全隐患
- 存钱取钱问题
- 卖票问题
- 解决方案
- 1. 锁
- 自旋锁
- OSSpinLock
- os_unfair_lock
- atomic
- 互斥锁
- pthread_mutex_t
- 条件pthread_cond_t（线程检查器）
- NSLock&NSRecursiveLock（递归锁）
- NSCondition（条件锁）&NSConditionLock
- @synchronized
- 2. 信号量
- 3. 同步串行队列
- 读写安全
- 读写锁
- pthread_rwlock_t
- 异步栅栏函数dispatch_barrier_async
- 锁的性能对比
- 总结
多线程安全隐患
资源共享：一块资源可能会被多个线程共享
当多个线程可能会访问同一块资源（对象、变量、文件）时，易引起数据错乱和数据安全问题
比如很经典的存取钱和买票问题：
存钱取钱问题
初始余额有1000元，存1000元取500元，按理说应剩下1500元，可两条线程同时对余额进行操作的结果就是数据错乱，最后剩下500元
以下是代码实现：
/*存取钱问题*/- (void)saveMoney {NSInteger oldMoney = self.money;sleep(.5);oldMoney += 50;self.money = oldMoney;NSLog(@"存50元还剩%ld元 --- %@", oldMoney, [NSThread currentThread]);}- (void)drawMoney {NSInteger oldMoney = self.money;sleep(.5);oldMoney -= 20;self.money = oldMoney;NSLog(@"取20元还剩%ld元 --- %@", oldMoney, [NSThread currentThread]);}- (void)moneyTest {self.money = 100;dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);dispatch_async(queue, ^{for (int i = 0; i < 5; ++i) {[self saveMoney];}});dispatch_async(queue, ^{for (int i = 0; i < 5; ++i) {[self drawMoney];}});
}
多条线程同时存取钱导致数据错乱：
卖票问题
两边同时卖出一张票，应剩下998张票，两条线程同时对票数操作的结果就是数据错乱，剩下999张
代码实现：
/*卖票问题*/// sleep()让多个线程尽可能拿到相同的值
// 卖1张票
- (void)saleTicket {NSInteger oldTicketCount = self.ticketsCount;sleep(.7);oldTicketCount--;self.ticketsCount = oldTicketCount;NSLog(@"还剩%ld张票 --- %@", oldTicketCount, [NSThread currentThread]);}// 每条线程卖5张票
- (void)saleTickets {self.ticketsCount = 15;dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);dispatch_async(queue, ^{for (int i = 0; i < 5; ++i) {[self saleTicket];}});dispatch_async(queue, ^{for (int i = 0; i < 5; ++i) {[self saleTicket];}});dispatch_async(queue, ^{for (int i = 0; i < 5; ++i) {[self saleTicket];}});}
多条线程同时卖票导致数据错乱：
解决方案
线程同步：让线程按照预定的先后顺序来执行
加锁是为了保证当前正在访问的只有我这条线程，一加锁，别的线程就没办法访问了（就会忙等待或是休眠），一解锁，别的线程才能去访问
或者使用GCD中的信号量、同步串行队列也可以实现线程同步（协同步调），下面展开分析
1. 锁
当上一个线程的任务没有执行完毕的时候（被锁住），那么下一个线程就不会执行，当上一个线程的任务执行完毕，下一个线程会立即执行
加锁也就是保证同一时间只有一个线程在执行
锁分两大类，自旋锁和互斥锁
锁的归类其实基本的锁就包括了三类: ⾃旋锁、互斥锁、读写锁，其他的⽐如条件锁、递归锁、信号量都是上层的封装和实现
自旋锁： 下一个线程反复检查上一个线程是否解锁，等待过程中线程保持执行（while），因此是一种忙等待
所谓忙等，即在访问被锁资源时，调用者线程不会休眠，而是一直地不停循环在那里，直到被锁资源释放锁
互斥锁： 下一个线程在等待上一个线程解锁的过程中（即获取锁失败）处于休眠状态，当互斥锁被释放，线程被唤醒执行任务，该任务也不会立刻执行，而是成为可执行状态（就绪）
所谓休眠，即在访问被锁资源时，调用者线程会休眠，此时CPU可以调度其他线程工作，直到被锁资源释放锁，此时会唤醒休眠线程
自旋锁
自旋锁优缺点
优点在于，因为自旋锁不会引起调用者睡眠，所以不会进行线程调度（唤醒线程、切换线程）、CPU时间片轮转等耗时操作，所以如果等待锁的时间非常短暂，就没必要让线程睡眠，不然更耗时间，自旋锁的效率远高于互斥锁
缺点在于，自旋锁一直占用CPU，他在未获得锁的情况下，一直运行自旋，所以占用着CPU，如果不能在很短的时间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低。自旋锁不能实现递归调用
OSSpinLock
#import <libkern/OSAtomic.h>
// 初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 尝试加锁（如果需要等待就不加锁，直接返回false，如果不需要等待就加锁，返回true）
bool flag = OSSpinLockTry(&lock);
// 加锁
OSSpinLockLock(&lock);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);
在协调同步这些不同的线程时，为什么要使用同一把锁？
如果每条线程下都创建一个新锁，那么这个锁开始永远都是未加锁状态，故下一个线程不会等待上一个线程结束（线程不会阻塞），而是直接进行，锁不一样，意味着不同线程可以同时进行
初始化同一把锁，有以下几种办法：
静态局部变量
{
static OSSpinLock _lock = OS_SPINLOCK_INIT;// 如果初始化是动态调用函数的，就不能使用static
// 因为函数调用是在运行时确定的，而statis右边的变量必须要在编译时确定
static OSSpinLock _lock = nil;
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{_lock = test();
});
}
静态全局变量
// 属性
@property (nonatomic, assign)OSSpinLock lock;
self.ticketLock = OS_SPINLOCK_INIT;// 静态全局变量
static OSSpinLock lock_;
// 让此全局变量只初始化一次
+ (void)initialize {if (self == [OSSpinLockClass class]) {static dispatch_once_t onceToken;dispatch_once(&onceToken, ^{lock_ = OS_SPINLOCK_INIT;});}
}
注意：OSSpinLock目前已不再安全，Apple已不推荐使用
原因是可能会出现优先级反转问题：如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用着CPU资源，前面优先级低的线程就无法释放锁
os_unfair_lock
此自旋锁的出现就是为了解决优先级反转问题
#import <os/lock.h>
// 初始化
os_unfair_lock ticketLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
// 尝试加锁
os_unfair_lock_trylock(&lock);
// 加锁
os_unfair_lock_lock(&lock);
// 解锁
os_unfair_lock_unlock(lock);
若最后没有解锁，那么其他线程就拿不到锁，即死锁
atomic
自旋锁的实际应用，自动生成的setter方法会根据修饰符不同调用不同方法，最后统一调用reallySetProperty方法，其中就有一段关于atomic修饰词的代码：
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{if (offset == 0) {object_setClass(self, newValue);return;}id oldValue;id *slot = (id*) ((char*)self + offset);if (copy) {newValue = [newValue copyWithZone:nil];} else if (mutableCopy) {newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];} else {if (*slot == newValue) return;newValue = objc_retain(newValue);}if (!atomic) {oldValue = *slot;*slot = newValue;} else {spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];slotlock.lock();oldValue = *slot;*slot = newValue; slotlock.unlock();}objc_release(oldValue);
}
getter方法也是如此：
id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {if (offset == 0) {return object_getClass(self);}// Retain release worldid *slot = (id*) ((char*)self + offset);if (!atomic) return *slot;// Atomic retain release worldspinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];slotlock.lock();id value = objc_retain(*slot);slotlock.unlock();// for performance, we (safely) issue the autorelease OUTSIDE of the spinlock.return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}可以看到属性如果被atomic修饰，setter/getter操作会进行加spinlock锁处理
注意：atomic关键字只能保证setter、getter操作的线程安全，并不能保证使用属性的过程是安全的
比如不能保证self.index+1也是安全的，如果改成self.index=i（单纯调用setter方法）是能保证setter方法的线程安全的
互斥锁
互斥锁又分为递归锁、非递归锁
pthread_mutex_t
#import <pthread/pthread.h>// PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER宏定义是一个结构体：{_PTHREAD_MUTEX_SIG_init, {0}}
// 下面两段代码与结构体基本语法不符（结构体必须在定义变量的同时赋值，静态初始化）
self.mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_mutex_t mutex;
mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;// 静态初始化，是正确的语法
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
另有方法初始化锁：
// 初始化锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 销毁锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
初始化一个mutex递归锁：
// 初始化锁的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);// 初始化递归锁
// 第二个参数传NULL，等效于PTHREAD_MUTEX_DEFAULT：pthread_mutex_init(mutex, NULL);
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
锁属性attributes的类型type：
如果加锁的任务执行有递归调用，那么是不是会发生堵塞？还没等解锁就又要同步加锁
这里给换用递归锁即可解决，递归锁允许同步加锁，即只允许同一个线程下对一把锁进行重复加锁，不会出现阻塞，最后解锁次数与加锁次数相同即可
void test(void) {pthread_mutex_lock(&mutex);NSLog(@"%s", __func__);test(); //递归pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
条件pthread_cond_t（线程检查器）
条件condition用于解决类似于生产者 - 消费者模式的问题，实现跨线程执行
// 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);
// 唤醒一个正在等待该条件的线程（发送一个信号）
pthread_cond_signal(&cond);
// 唤醒所有正在等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast(&cond);
// 销毁条件
pthread_cond_destroy(&cond);
此模式的情景是，要等待生产者产出商品才能消费，如果无商品存在，就无法消费：
void consume(void) {pthread_mutex_lock(&mutex);if (/*无商品*/) {// 等待，放开锁，让生产线程执行pthread_cond_wait(&cond, &mutex);}pthread_mutex_unlock(&mutex);
}void produce(void) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 产出了商品pthread_mutex_unlock(&mutex);// 有了商品后，唤醒一个正在等待该条件的consume线程（发送一个信号）pthread_cond_signal(&cond);
}
NSLock&NSRecursiveLock（递归锁）
NSLock是对pthread_mutex_t普通锁的封装，所以它是一个非递归锁
如果对NSLock强行使用递归调用，就会在调用时发生堵塞，并非死锁，第一次加锁之后还没出锁就进行递归调用，第二次加锁就堵塞了线程。（因为不会查询缓存）
@interface NSLock : NSObject <NSLocking>
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@property (nullable, copy) NSString *name;
@end@protocol NSLocking
// 加锁
- (void)lock;
// 解锁
- (void)unlock;
@end
OC对象的初始化就无需多言了
NSRecursiveLock是对mutex递归锁的封装，API跟NSLock基本一致
注意：NSRecursiveLock虽然有递归性，但没有多线程特性
- (void)test {NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];for (int i = 0; i < 10; i++) {dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{static void (^block)(int);block = ^(int value) {[lock lock];if (value > 0) {NSLog(@"value——%d", value);block(value - 1);}[lock unlock];};block(10);});}
}
因为for循环在block内部对同一个对象进行了多次锁操作，直到这个资源身上挂着N把锁，最后大家都无法一次性解锁，也就是找不到解锁的出口
即线程1中加锁1、同时线程2中加锁2-> 解锁1等待解锁2 -> 解锁2等待解锁1 -> 无法结束解锁——形成死锁
此时我们可以通过@synchronized对对象进行锁操作，会先从缓存查找是否有锁syncData存在。如果有，直接返回而不加锁，保证锁的唯一性
@synchronized是符合递归和多线程特性的
同一线程可以多次获取而不会导致死锁的锁
NSCondition（条件锁）&NSConditionLock
NSCondition是对pthread_mutex_t和pthread_cond_t条件的封装
可以加锁的同时也可等待或唤醒线程：
@interface NSCondition : NSObject <NSLocking>
- (void)wait; //等待
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal; // 唤醒一个线程
- (void)broadcast; // 唤醒所有线程
@property (nullable, copy) NSString *name;
@end
NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体值
@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking>
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition;
@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;
@end
通过设置condition的值，可以设置锁哥线程间的依赖，控制线程的执行顺序：
self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition: 1];// 三个线程同时进行
[[[NSThread alloc] initWithTarget: self selector: @selector(p_one) object: nil] start];
[[[NSThread alloc] initWithTarget: self selector: @selector(p_two) object: nil] start];
[[[NSThread alloc] initWithTarget: self selector: @selector(p_three) object: nil] start];- (void)p_one {[self.conditionLock lockWhenCondition: 1];NSLog(@"_one");[self.conditionLock unlockWithCondition: 2];
}- (void)p_two {[self.conditionLock lockWhenCondition: 2];sleep(1);NSLog(@"_two");
// [self.conditionLock unlock];[self.conditionLock unlockWithCondition: 3];
}- (void)p_three {
// [self.conditionLock lockWhenCondition: 2];[self.conditionLock lockWhenCondition: 3];NSLog(@"_three");[self.conditionLock unlock];
}
打印结果：_one、_two、_three，让本会并发执行的三个线程按照执行了
@synchronized
@synchronized是对mutex递归锁的封装
@synchronized (/*token obj*/) {// 任务
}
放进去的这个token对象要是同一个，才能保证同一把锁
一般会传入self、如果是不同实例调用且也要保证一把锁的需求，可传入[self class]
为保证唯一性，一般这样写：
static NSObject* lock;
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{lock = [[NSObject alloc] init];
});
@synchronized (lock) {// 任务
}
@synchronized锁
@synchronized底层源码分析
2. 信号量
信号量（semaphore）：是一种更高级的同步机制，互斥锁可以说是 semaphore 在仅取0/1时的特例。信号量可以有更多的取值空间，控制线程最大并发数量，用来实现更加复杂的同步，而不单单是线程间互斥
// 初始化
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
// 加锁
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 解锁
dispatch_semaphore_signal(semaphore);
/*
注: dispatch_semaphore 其他两个功能
1.还可以起到阻塞线程的作用
2.可以实现定时器功能,这里不做过多介绍
*/
控制最大并发数量：
// 控制最大并发数量：5个线程self.ticketSemaphore = dispatch_semaphore_create(5);- (void)otherTest {for (int i = 0; i < 20; ++i) {[[[NSThread alloc] initWithTarget: self selector: @selector(test) object: nil] start];}
}- (void)test {// 如果信号量的值 > 0，就-1，往下执行// 如果信号量的值 <= 0，当前线程就会进入休眠等待（知道信号量的值 > 0）dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);sleep(3);NSLog(@"test --- %@", [NSThread currentThread]);// 让信号量的值+1dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}
3. 同步串行队列
dispatch_sync(dispatch_queue_create("serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL), ^{// 任务
});
读写安全
I/O操作，即文件数据读写操作要实现读写安全，需实现以下需求：
- 多读单写（写写互斥）
- 不允许读写同时进行（读写互斥）
- 读写
不能堵塞主线程，不能影响主线程
这就需要读写锁来实现
读写锁
读写锁实际是⼀种特殊的⾃旋锁，它把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进⾏读访问，写者则需要对共享资源进⾏写操作
现有两种解决读写安全的方案：
pthread_rwlock_t
// 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);
// 销毁锁
pthread_rwlock_destroy(&lock);
当读写锁在读加锁状态时，所有试图以读模式对它进⾏加锁的线程都可以得到访问权
当读写锁是写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞，必须直到所有的线程释放锁
读模式锁定时可以共享， 以写模式锁住时意味着独占，所以读写锁⼜叫共享-独占锁
异步栅栏函数dispatch_barrier_async
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);// 栅栏函数保证读写的互斥
dispatch_barrier_async(concurrentQueue, ^{NSLog(@"write");
});// 异步并行保证共享读线程
dispatch_async(concurrentQueue, ^{NSLog(@"read");
});
此处的异步栅栏函数传入的并发队列必须是通过create创建的
如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列，那这个函数便等同于dispatch_async
锁的性能对比
自旋锁效率肯定远高于互斥锁
以下是自旋锁性能排行：
总结
- OSSpinLock不再安全，底层用
os_unfair_lock替代 - atomic只能保证setter、getter时线程安全，所以更多的使用
nonatomic来修饰 - 读写锁更多使用
栅栏函数来实现 - @synchronized在底层维护了一个哈希链表进行data的存储，使用
recursive_mutex_t进行加锁 - NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition和NSConditionLock底层都是对
pthread_mutex的封装 - NSCondition和NSConditionLock是
条件锁，当满足某一个条件时才能进行操作，和信号量dispatch_semaphore类似 - 普通场景下涉及到线程安全，可以用NSLock
- 循环调用时用
NSRecursiveLock - 循环调用且有线程影响时，请注意死锁，如果有死锁问题请使用@synchronized
日常开发中若需要使用线程锁来保证线程安全，请多考虑一下再选择使用哪个锁，@synchronized并不是最优的选择。作为一名优秀的开发不但能让App正常运行，更要让它优质地运行、优化它的性能
