ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台

标题: iOS的多线程安全隐患与线程同步方案 [打印本页]
作者: 冬雨财经    时间: 2022-6-23 21:59
标题: 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

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

  1. // 初始化锁的属性
  2. pthread_mutexattr_t attr;
  3. pthread_mutexattr_init(&attr);
  4. /**
  5. * @param attr:参数
  6. * @param type:锁的类型，传NULL也是默认
  7. */
  8. pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
  10. //锁的类型
  11. #define PTHREAD_MUTEX_NORMAL 0 // 普通锁
  12. #define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 1 // 检测错误的锁
  13. #define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 2  // 递归锁
  14. #define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT PTHREAD_MUTEX_NORMAL
  16. // 初始化锁
  17. pthread_mutex_t mutex;
  18. pthread_mutex_init(&mutex,&attr);
  19. // 尝试加锁
  20. pthread_mutex_trylock(&mutex);
  21. // 加锁
  22. pthread_mutex_lock(&mutex);
  23. // 解锁
  24. pthread_mutex_unlock(&mutex);
  25. // 销毁相关资源
  26. pthread_mutexattr_destroy(&attr);
  27. pthread_mutex_destroy(&mutex);
复制代码
2.3.2、pthread_mutex – 条件锁

  1.     // 初始化属性
  2.     pthread_mutexattr_t attr;
  3.     pthread_mutexattr_init(&attr);
  4.     // NULL代表默认属性
  5.     pthread_mutexattr_settype(&attr, NULL);
  6.     // 初始化锁
  7.     pthread_mutex_t mutex;
  8.     pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
  9.     // 销毁属性
  10.     pthread_mutexattr_destroy(&attr);
  11.    
  12.     // 初始化条件
  13.     pthread_cond_t cond;
  14.     pthread_cond_init(&cond, NULL);
  15.    
  16.     // 等待条件（进入休眠，放开mutex锁；被唤醒后，会再次对mutex加锁）
  17.     pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
  18.     // 激活一个等待该条件的线程
  19.     pthread_cond_signal(&cond);
  20.     // 激活所有等待该条件的线程
  21.     pthread_cond_boradcast(&cond);
  22.    
  23.     // 销毁相关资源
  24.     pthread_mutex_destroy(&mutex);
  25.     pthread_cond_destroy(&cond);
复制代码
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。
  1.     // 初始化这把锁带有的属性
  2.     pthread_mutexattr_t attr;
  3.     pthread_mutexattr_init(&attr);
  4.     // 设置这把锁属性的类型：
  5.     // PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE递归锁，允许同一个线程对同一把锁进行重复加锁
  6.     pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
  7.    
  8.     // 初始化锁
  9.     pthread_mutex_t mutex;
  10.     pthread_mutex_init(mutex, &attr);
  11.    
  12.     // 销毁属性
  13.     pthread_mutexattr_destroy(&attr);
  14.     // 销毁锁
  15.     pthread_mutex_destroy(&mutex);
复制代码
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

  1. @interface Demo()
  2. @property (strong, nonatomic) NSConditionLock *conditionLock;
  3. @end
  5. @implementation Demo
  6. - (instancetype)init {
  7.     if (self = [super init]) {
  8.         self.conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];
  9.     }
  10.     return self;
  11. }
  13. - (void)test {
  14.                 // 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
  15.     [self.conditionLock lock];
  16.     // 2、如果有加条件，那么必须跟设置的条件匹配
  17.     // [self.conditionLock lockWhenCondition:1];
  18.    
  19.     NSLog(@"test");
  20.     sleep(1);
  21.    
  22.     [self.conditionLock unlockWithCondition:2];
  23. }
  24. @end
复制代码
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。
  1.                 // 信号量初始值
  2.     int value = 5;
  3.     // 初始化信号量
  4.     dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
  5.     /**
  6.      * 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
  7.      * 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
  8.      */
  9.     dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
  11.     // 让信号量的值加1
  12.     dispatch_semaphore_signal(semaphore);
复制代码
2.4、dispatch_queue

直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步。
  1. @interface Demo()
  2. @property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t myQueue;
  3. @end
  5. @implementation Demo
  6. - (instancetype)init {
  7.     if (self = [super init]) {
  8.         self.myQueue = dispatch_queue_create("myQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
  9.     }
  10.     return self;
  11. }
  12. - (void)test1 {
  13.     dispatch_sync(self.myQueue, ^{
  14.         NSLog(@"%s",__func__);
  15.     });
  16. }
  18. - (void)test2 {
  19.     dispatch_sync(self.myQueue, ^{
  20.         NSLog(@"%s",__func__);
  21.     });
  22. }
  23. @end
复制代码
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）。
  1.     // 初始化锁
  2.     pthread_rwlock_t lock;
  3.     pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
  4.    
  5.     // 读 - 加锁
  6.     pthread_rwlock_rdlock(&lock);
  7.     // 读 - 尝试加锁
  8.     pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);
  9.    
  11.     // 写 - 加锁
  12.     pthread_rwlock_wrlock(&lock);
  13.     // 写 - 尝试加锁
  14.     pthread_rwlock_trywrlock(&lock);
  15.    
  16.     // 解锁
  17.     pthread_rwlock_unlock(&lock);
  18.     // 毁锁
  19.     pthread_rwlock_destroy(&lock);
复制代码
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：
  1. #import "ViewController.h"
  2. #import <pthread.h>
  4. @interface ViewController ()
  5. @property (strong, nonatomic) dispatch_queue_t queue;
  6. @end
  8. @implementation ViewController
  10. - (void)viewDidLoad {
  11.     [super viewDidLoad];
  12.     /**
  13.     * 1、必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
  14.     * 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
  15.     */
  16.     self.queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
  17.    
  18.     for (int i = 0; i < 10; i++) {
  19.         dispatch_async(self.queue, ^{
  20.             [self read];
  21.         });
  22.         
  23.         dispatch_async(self.queue, ^{
  24.             [self read];
  25.         });
  26.         
  27.         dispatch_async(self.queue, ^{
  28.             [self read];
  29.         });
  30.         
  31.         dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
  32.             [self write];
  33.         });
  34.     }
  35. }
  38. - (void)read {
  39.     sleep(1);
  40.     NSLog(@"read");
  41. }
  43. - (void)write {
  44.     sleep(1);
  45.     NSLog(@"write");
  46. }
  48. @end
复制代码
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！


**
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！



欢迎光临 ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台 (https://dis.qidao123.com/) Powered by Discuz! X3.4