iOS - 原子操纵

在 Objective-C 运行时中，原子操纵主要通过以下几种方式实现：
1. 基本原子操纵

1. // 原子操作的基本实现
2. #if __has_feature(c_atomic)
4. #define OSAtomicIncrement32(p)        __c11_atomic_add((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_RELAXED)
5. #define OSAtomicDecrement32(p)        __c11_atomic_sub((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_RELAXED)
6. #define OSAtomicIncrement32Barrier(p) __c11_atomic_add((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_SEQ_CST)
7. #define OSAtomicDecrement32Barrier(p) __c11_atomic_sub((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_SEQ_CST)
9. #else
11. // 使用内联汇编实现原子操作
12. static ALWAYS_INLINE int32_t
13. OSAtomicIncrement32(volatile int32_t *value) {
14.     return __sync_fetch_and_add(value, 1) + 1;
15. }
17. static ALWAYS_INLINE int32_t
18. OSAtomicDecrement32(volatile int32_t *value) {
19.     return __sync_fetch_and_sub(value, 1) - 1;
20. }
22. #endif

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2. 自旋锁实现

1. typedef struct {
2.     volatile int32_t value;
3. } OSSpinLock;
5. // 自旋锁的原子操作
6. static ALWAYS_INLINE void
7. OSSpinLockLock(volatile OSSpinLock *lock)
8. {
9.     do {
10.         while (lock->value != 0) {
11.             // 忙等待
12.             __asm__ volatile ("pause");
13.         }
14.     } while (!OSAtomicCompareAndSwap32(0, 1, &lock->value));
15. }
17. static ALWAYS_INLINE bool
18. OSSpinLockTry(volatile OSSpinLock *lock)
19. {
20.     return OSAtomicCompareAndSwap32(0, 1, &lock->value);
21. }
23. static ALWAYS_INLINE void
24. OSSpinLockUnlock(volatile OSSpinLock *lock)
25. {
26.     OSAtomicAnd32Barrier(0, &lock->value);
27. }

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3. 比较和互换操纵

1. // 原子比较和交换操作
2. static ALWAYS_INLINE bool
3. OSAtomicCompareAndSwapPtr(void *oldp, void *newp, void *volatile *dst)
4. {
5.     return __sync_bool_compare_and_swap(dst, oldp, newp);
6. }
8. static ALWAYS_INLINE bool
9. OSAtomicCompareAndSwapLong(long oldl, long newl, volatile long *dst)
10. {
11.     return __sync_bool_compare_and_swap(dst, oldl, newl);
12. }
14. static ALWAYS_INLINE bool
15. OSAtomicCompareAndSwap32(int32_t old, int32_t new, volatile int32_t *dst)
16. {
17.     return __sync_bool_compare_and_swap(dst, old, new);
18. }

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4. 内存屏障

1. // 内存屏障实现
2. #define OSMemoryBarrier()  __sync_synchronize()
4. static ALWAYS_INLINE void
5. OSMemoryBarrierBeforeUnlock()
6. {
7. #if defined(__arm__) || defined(__arm64__)
8.     OSMemoryBarrier();
9. #endif
10. }

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5. 原子引用计数操纵

1. inline bool
2. objc_object::rootTryRetain()
3. {
4.     return sidetable_tryRetain() || rootRetain_overflow(true);
5. }
7. inline bool
8. objc_object::sidetable_tryRetain()
9. {
10.     SideTable& table = SideTables()[this];
11.    
12.     bool result = false;
13.    
14.     table.lock();
15.     RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);
16.     if (it != table.refcnts.end()) {
17.         RefcountMap::value_type &pair = *it;
18.         if (pair.second & SIDE_TABLE_RC_PINNED) {
19.             pair.second += SIDE_TABLE_RC_ONE;
20.             result = true;
21.         }
22.         else if (pair.second & SIDE_TABLE_RC_WEAKLY_REFERENCED) {
23.             pair.second = SIDE_TABLE_RC_ONE | SIDE_TABLE_RC_WEAKLY_REFERENCED;
24.             result = true;
25.         }
26.     }
27.     table.unlock();
28.    
29.     return result;
30. }

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6. 原子属性访问器

1. // 原子属性的 getter
2. id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {
3.     if (!atomic) return *((id *)((char *)self + offset));
4.    
5.     // 原子操作
6.     spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[GOODHASH(offset)];
7.     slotlock.lock();
8.     id value = *((id *)((char *)self + offset));
9.     slotlock.unlock();
10.     return value;
11. }
13. // 原子属性的 setter
14. static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue,
15.                                    ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy)
16. {
17.     if (!atomic) {
18.         *((id *)((char *)self + offset)) = newValue;
19.         return;
20.     }
21.    
22.     spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[GOODHASH(offset)];
23.     slotlock.lock();
24.     *((id *)((char *)self + offset)) = newValue;
25.     slotlock.unlock();
26. }

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7. 原子操纵的使用场景

1. 引用计数管理

1. // 原子递增引用计数
2. id objc_retain(id obj) {
3.     if (!obj) return obj;
4.     if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
5.     return obj->retain();
6. }

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2. 属性访问

1. // 原子属性的实现
2. @property (atomic) NSString *name;

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3. 数据结构操纵

1. // 线程安全的数组操作
2. - (void)addObject:(id)object {
3.     @synchronized(self) {
4.         [_array addObject:object];
5.     }
6. }

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这些原子操纵的实现保证了：

• 原子性：操纵要么完全执行，要么完全不执行
  

• 可见性：一个线程的修改对其他线程立即可见
  

• 有序性：防止指令重排导致的标题
  

通过这些机制，Objective-C 运行时可以大概保证多线程情况下的数据一致性和线程安全。


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