iOS刨根问底之@synchronized实现同步的原理

在利用 objc 进行多线程编程时常常遇到同步的问题，这时用的最多的就是NSLock和@synchronized，@synchronized较NSLock使用起来会方便很多、可读性较高。

本文以一个例子开头，请问下述代码的输出结果是什么：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        __block NSObject *obj = [NSObject new];
        dispatch_queue_t queue1 = dispatch_queue_create("queue1", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
        dispatch_queue_t queue2 = dispatch_queue_create("queue2", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
        dispatch_queue_t queue3 = dispatch_queue_create("queue3", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
                
        __block int a = 0;
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            dispatch_async(queue1, ^{
                @synchronized (obj) {
                    NSLog(@"queue1, a = %d", a++);
                    obj = nil;
                }
                // obj = [NSObject new];
            });
        }
    
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            dispatch_async(queue2, ^{
                @synchronized (nil) {
                    NSLog(@"queue2, a = %d", a++);
                }
            });
        }
        
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            dispatch_async(queue3, ^{
                @synchronized ([NSObject new]) {
                    NSLog(@"queue3, a = %d", a++);
                }
            });
        }
        
        // 延迟主线程退出，主线程退出子线程也会退出
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

上述输出结果是：三个循环中使用的锁均无效（包括第一个循环中注释无论是否打开）。下面就@synchronized的实现原理进行剖析。

NSObject *obj = [NSObject new];
@synchronized (obj) {
    NSLog(@"hello world.");
}

利用clang -rewrite-objc xxx将上述代码转化如下，代码中已经对关键内容进行了注释。这里说几个点：

  1. 代码中用到了很多的代码块({}结构)，是为了在执行到}时，代码块中的对象释放，触发析构函数的调用；
  2. 锁入口函数objc_sync_enter，退出函数objc_sync_exit；
  3. 如果锁的释放出现了异常，则会由catch块捕获，最终在FIN中抛出；
// 创建 obj 对象
NSObject *obj = ((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("new"));
{
    id _rethrow = 0;
    id _sync_obj = (id)obj;
    // 锁的入口函数
    objc_sync_enter(_sync_obj);
    try {
        // 创建一个 _SYNC_EXIT 类型的对象，该对象在 try 代码块执行完成后会调用其析构函数释放，最终执行 objc_sync_exit 释放锁。
        struct _SYNC_EXIT {
            _SYNC_EXIT(id arg) : sync_exit(arg) {}
            ~_SYNC_EXIT() {objc_sync_exit(sync_exit);}
            id sync_exit;
        } _sync_exit(_sync_obj);

        // NSLog(@"hello world.");
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_h5_359yk7215js43kb5v40w49sc0000gn_T_test_65e99a_mi_0);
    } catch (id e) {
        // 捕获异常
        _rethrow = e;
    }
    {
        // 如果捕获了异常，则会触发 _FIN 初始化的时候其 rethrow 变量有值，并在对象释放是调用析构函数抛出异常。
        struct _FIN {
            _FIN(id reth) : rethrow(reth) {}
            ~_FIN() { if (rethrow) objc_exception_throw(rethrow); }
            id rethrow;
        } _fin_force_rethow(_rethrow);
    }
}

objc_sync_enter和objc_sync_exit究竟做了什么？我们查看一下相关源码，戳这里。

int objc_sync_enter(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
        assert(data);
        data->mutex.lock();
    } else {
        // @synchronized(nil) does nothing
        if (DebugNilSync) {
            _objc_inform("NIL SYNC DEBUG: @synchronized(nil); set a breakpoint on objc_sync_nil to debug");
        }
        objc_sync_nil();
    }
    return result;
}

int objc_sync_exit(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
        if (!data) {
            result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
        } else {
            bool okay = data->mutex.tryUnlock();
            if (!okay) {
                result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
            }
        }
    } else {
        // @synchronized(nil) does nothing
    }
    return result;
}

从中我们可以看出，当obj为空时，什么也没做。所以@synchronized(nil){}并不能达到锁的效果。我们发现上述两个函数中都通过id2data获取结构体SyncData。

如下代码，我列出了几个关键结构：

// 链表结点
typedef struct SyncData {
    struct SyncData* nextData;  // next，说明是个链表结构
    DisguisedPtr<objc_object> object;    // synchronized 中的 obj 最终传递到这里
    int32_t threadCount;  // number of THREADS using this block
    recursive_mutex_t mutex;    // 互斥锁
} SyncData;

// 链表
struct SyncList {
    SyncData *data;
    spinlock_t lock;    // 访问该链表的锁

    SyncList() : data(nil) { }
};

// Use multiple parallel lists to decrease contention among unrelated objects.
#define LOCK_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].lock
#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data
// 链表存储的位置，StripedMap 用于存储 void* -> T，即地址映射，具体内容可以查看 StripedMap
static StripedMap<SyncList> sDataLists;

// 缓存时链表中的 node 结构
typedef struct {
    SyncData *data;
    unsigned int lockCount;  // number of times THIS THREAD locked this block
} SyncCacheItem;

对于synchronized传入的obj，有两条链表进行存储，一条链表的node结构是SyncData，用于正常访问用；另一条是SyncCacheItem，从名字中可以看出是做缓存用，SyncCacheItem中有个SyncData类型的属性。

SyncData是从函数id2data中获取的，该函数内容较多，因为我们重点是关注synchronized传入的对象是干什么用的，所以我简单解释下该函数的内容：

  1. 查看缓存中是否有，判断标准是缓存中SyncCacheItem.data.object与synchronized传入的obj的地址是否相等；
  2. 如果缓存中没有，则在sDataLists中查找，判断标准也是对象地址；
  3. 创建SyncData，并存储在sDataLists中；
  4. 存储到缓存中；

id2data中第 3 步会创建SyncData对象，从中可以看到synchronized中传入的obj最终存储在SyncData->object中。

SyncData **listp = &LIST_FOR_OBJ(object);
SyncData* result = NULL;
result = (SyncData*)calloc(sizeof(SyncData), 1);
result->object = (objc_object *)object;  // obj
result->threadCount = 1;
new (&result->mutex) recursive_mutex_t();
result->nextData = *listp;
// 添加到 sDataLists 链表中
*listp = result;

总结：从@synchronized(){}的执行流程我们可以得出如下结论：

  1. 不要传递nil对象，因为nil导致block执行时没有使用锁；
  2. 两次执行synchronized传入不同的对象，同步操作失效；
  3. 传递的obj对象，起作用的主要是对象地址，对象地址与使用的锁一一对应；
  4. 如果在@synchronized(){}的block中将obj置为nil，从代码分析synchronized退出后，锁并不会被释放。那造成的结果是什么呢？要么下次访问synchronized传入的是新对象，要么下次传入的是上次的obj(此时为nil)。这两种情况对应上述结论1、2，都会导致同步执行失效。
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