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_mutex
    
  • 
    
    
    
    • 2.3.1、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、NSRecursiveLock
      
    • 2.3.5、NSCondition、NSConditionLock
      
       
    
  • 2.4、dispatch_semaphore 信号量
    
  • 2.4、dispatch_queue
    
  • 2.5、@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、GNUstep
    
  • 4.2、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

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！

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