iOS保证线程安全的几种方式

转载自：https://www.jianshu.com/p/938d68ed832c#

一、前言

前段时间看了几个开源项目，发现他们保持线程同步的方式各不相同，有@synchronized、NSLock、dispatch_semaphore、NSCondition、pthread_mutex、OSSpinLock。后来网上查了一下，发现他们的实现机制各不相同，性能也各不一样。不好意思，我们平常使用最多的@synchronized是性能最差的。下面我们先分别介绍每个加锁方式的使用，在使用一个案例来对他们进行性能对比。

二、介绍与使用

2.1、@synchronized

NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        @synchronized(obj) {

                NSLog(@"需要线程同步的操作1 开始");

                sleep(3);

                NSLog(@"需要线程同步的操作1 结束");

                }

        });

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        sleep(1);

        @synchronized(obj) {

                NSLog(@"需要线程同步的操作2");

        }

});

@synchronized(obj)指令使用的obj为该锁的唯一标识，只有当标识相同时，才为满足互斥，如果线程2中的@synchronized(obj)改为@synchronized(self),刚线程2就不会被阻塞，@synchronized指令实现锁的优点就是我们不需要在代码中显式的创建锁对象，便可以实现锁的机制，但作为一种预防措施，@synchronized块会隐式的添加一个异常处理例程来保护代码，该处理例程会在异常抛出的时候自动的释放互斥锁。所以如果不想让隐式的异常处理例程带来额外的开销，你可以考虑使用锁对象。

上面结果的执行结果为：

2016-06-29 20:48:35.747 SafeMultiThread[35945:580107] 需要线程同步的操作1 开始

2016-06-29 20:48:38.748 SafeMultiThread[35945:580107] 需要线程同步的操作1 结束

2016-06-29 20:48:38.749 SafeMultiThread[35945:580118] 需要线程同步的操作2

2.2、dispatch_semaphore

dispatch_semaphore_t signal = dispatch_semaphore_create(1); dispatch_time_t overTime = dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW,3*NSEC_PER_SEC);dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        dispatch_semaphore_wait(signal, overTime);

                NSLog(@"需要线程同步的操作1 开始");

sleep(2);NSLog(@"需要线程同步的操作1 结束");

        dispatch_semaphore_signal(signal);

});

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        sleep(1);

        dispatch_semaphore_wait(signal, overTime);

                NSLog(@"需要线程同步的操作2");

        dispatch_semaphore_signal(signal);

});

dispatch_semaphore是GCD用来同步的一种方式，与他相关的共有三个函数，分别是dispatch_semaphore_create，dispatch_semaphore_signal，dispatch_semaphore_wait。

（1）dispatch_semaphore_create的声明为：

dispatch_semaphore_t dispatch_semaphore_create(long value);

传入的参数为long，输出一个dispatch_semaphore_t类型且值为value的信号量。

值得注意的是，这里的传入的参数value必须大于或等于0，否则dispatch_semaphore_create会返回NULL。

（2）dispatch_semaphore_signal的声明为：

long dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema)

这个函数会使传入的信号量dsema的值加1；

(3) dispatch_semaphore_wait的声明为：

long dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout)；

这个函数会使传入的信号量dsema的值减1；这个函数的作用是这样的，如果dsema信号量的值大于0，该函数所处线程就继续执行下面的语句，并且将信号量的值减1；如果desema的值为0，那么这个函数就阻塞当前线程等待timeout（注意timeout的类型为dispatch_time_t，不能直接传入整形或float型数），如果等待的期间desema的值被dispatch_semaphore_signal函数加1了，且该函数（即dispatch_semaphore_wait）所处线程获得了信号量，那么就继续向下执行并将信号量减1。如果等待期间没有获取到信号量或者信号量的值一直为0，那么等到timeout时，其所处线程自动执行其后语句。

dispatch_semaphore 是信号量，但当信号总量设为 1 时也可以当作锁来。在没有等待情况出现时，它的性能比 pthread_mutex 还要高，但一旦有等待情况出现时，性能就会下降许多。相对于 OSSpinLock 来说，它的优势在于等待时不会消耗 CPU 资源。

如上的代码，如果超时时间overTime设置成>2，可完成同步操作。如果overTime<2的话，在线程1还没有执行完成的情况下，此时超时了，将自动执行下面的代码。

上面代码的执行结果为：

2016-06-29 20:47:52.324 SafeMultiThread[35945:579032] 需要线程同步的操作1 开始

2016-06-29 20:47:55.325 SafeMultiThread[35945:579032] 需要线程同步的操作1 结束

2016-06-29 20:47:55.326 SafeMultiThread[35945:579033] 需要线程同步的操作2

如果把超时时间设置为<2s的时候，执行的结果就是：

2016-06-30 18:53:24.049 SafeMultiThread[30834:434334] 需要线程同步的操作1 开始

2016-06-30 18:53:25.554 SafeMultiThread[30834:434332] 需要线程同步的操作2

2016-06-30 18:53:26.054 SafeMultiThread[30834:434334] 需要线程同步的操作1 结束

2.3、NSLock

NSLock*lock = [[NSLockalloc] init];

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        //[lock lock];

        [lock lockBeforeDate:[NSDatedate]];

                NSLog(@"需要线程同步的操作1 开始");

              sleep(2);

                NSLog(@"需要线程同步的操作1 结束");

        [lock unlock];

});

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        sleep(1);

        if([lock tryLock]) {//尝试获取锁，如果获取不到返回NO，不会阻塞该线程

                NSLog(@"锁可用的操作");

                [lock unlock];

        }else{

                NSLog(@"锁不可用的操作");

        }

        NSDate*date = [[NSDatealloc] initWithTimeIntervalSinceNow:3];

        if([lock lockBeforeDate:date]) {//尝试在未来的3s内获取锁，并阻塞该线程，如果3s内获取不到恢复线程, 返回NO,不会阻塞该线程

                NSLog(@"没有超时，获得锁");

                [lock unlock];

        }else{

                NSLog(@"超时，没有获得锁");

        }

});

NSLock是Cocoa提供给我们最基本的锁对象，这也是我们经常所使用的，除lock和unlock方法外，NSLock还提供了tryLock和lockBeforeDate:两个方法，前一个方法会尝试加锁，如果锁不可用(已经被锁住)，刚并不会阻塞线程，并返回NO。lockBeforeDate:方法会在所指定Date之前尝试加锁，如果在指定时间之前都不能加锁，则返回NO。

上面代码的执行结果为：

2016-06-29 20:45:08.864 SafeMultiThread[35911:575795] 需要线程同步的操作1 开始

2016-06-29 20:45:09.869 SafeMultiThread[35911:575781] 锁不可用的操作

2016-06-29 20:45:10.869 SafeMultiThread[35911:575795] 需要线程同步的操作1 结束

2016-06-29 20:45:10.870 SafeMultiThread[35911:575781] 没有超时，获得锁

源码定义如下：

@protocolNSLocking

- (void)lock;

- (void)unlock;

@end

@interfaceNSLock:NSObject{

@privatevoid*_priv;

}

- (BOOL)tryLock;

- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate*)limit;

@property(nullable,copy)NSString*nameNS_AVAILABLE(10_5,2_0);

@end

2.4、NSRecursiveLock递归锁

//NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];

NSRecursiveLock*lock = [[NSRecursiveLockalloc] init];

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        staticvoid(^RecursiveMethod)(int);

        RecursiveMethod = ^(intvalue) {

                [lock lock];

                if(value >0) {

                        NSLog(@"value = %d", value);

                        sleep(1);

                        RecursiveMethod(value -1);

                }

                [lock unlock];

        };

        RecursiveMethod(5);

});

NSRecursiveLock实际上定义的是一个递归锁，这个锁可以被同一线程多次请求，而不会引起死锁。这主要是用在循环或递归操作中。

这段代码是一个典型的死锁情况。在我们的线程中，RecursiveMethod是递归调用的。所以每次进入这个block时，都会去加一次锁，而从第二次开始，由于锁已经被使用了且没有解锁，所以它需要等待锁被解除，这样就导致了死锁，线程被阻塞住了。调试器中会输出如下信息：

2016-06-30 19:08:06.393 SafeMultiThread[30928:449008] value = 5

2016-06-30 19:08:07.399 SafeMultiThread[30928:449008] *** -[NSLock lock]: deadlock ( '(null)')

2016-06-30 19:08:07.399 SafeMultiThread[30928:449008] *** Break on _NSLockError() to debug.

在这种情况下，我们就可以使用NSRecursiveLock。它可以允许同一线程多次加锁，而不会造成死锁。递归锁会跟踪它被lock的次数。每次成功的lock都必须平衡调用unlock操作。只有所有达到这种平衡，锁最后才能被释放，以供其它线程使用。

如果我们将NSLock代替为NSRecursiveLock，上面代码则会正确执行。

2016-06-30 19:09:41.414 SafeMultiThread[30949:450684] value = 5

2016-06-30 19:09:42.418 SafeMultiThread[30949:450684] value = 4

2016-06-30 19:09:43.419 SafeMultiThread[30949:450684] value = 3

2016-06-30 19:09:44.424 SafeMultiThread[30949:450684] value = 2

2016-06-30 19:09:45.426 SafeMultiThread[30949:450684] value = 1

如果需要其他功能，源码定义如下：

@interfaceNSRecursiveLock:NSObject{

@privatevoid*_priv;

}

- (BOOL)tryLock;

- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate*)limit;

@property(nullable,copy)NSString*nameNS_AVAILABLE(10_5,2_0);

@end

2.5、NSConditionLock条件锁

NSMutableArray*products = [NSMutableArrayarray];

NSIntegerHAS_DATA =1;

NSIntegerNO_DATA =0;

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        while(1) {

                [lock lockWhenCondition:NO_DATA];

                [products addObject:[[NSObjectalloc] init]];

                NSLog(@"produce a product,总量:%zi",products.count);

          [lock unlockWithCondition:HAS_DATA];

                sleep(1);

        } });

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        while(1) {

                NSLog(@"wait for product");

                [lock lockWhenCondition:HAS_DATA];

                [products removeObjectAtIndex:0];

                NSLog(@"custome a product");

                [lock unlockWithCondition:NO_DATA];

        }

});

当我们在使用多线程的时候，有时一把只会lock和unlock的锁未必就能完全满足我们的使用。因为普通的锁只能关心锁与不锁，而不在乎用什么钥匙才能开锁，而我们在处理资源共享的时候，多数情况是只有满足一定条件的情况下才能打开这把锁：

在线程1中的加锁使用了lock，所以是不需要条件的，所以顺利的就锁住了，但在unlock的使用了一个整型的条件，它可以开启其它线程中正在等待这把钥匙的临界地，而线程2则需要一把被标识为2的钥匙，所以当线程1循环到最后一次的时候，才最终打开了线程2中的阻塞。但即便如此，NSConditionLock也跟其它的锁一样，是需要lock与unlock对应的，只是lock,lockWhenCondition:与unlock，unlockWithCondition:是可以随意组合的，当然这是与你的需求相关的。

上面代码执行结果如下：

2016-06-30 20:31:58.699 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product

2016-06-30 20:31:58.699 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,总量:1

2016-06-30 20:31:58.700 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product

2016-06-30 20:31:58.700 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product

2016-06-30 20:31:59.705 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,总量:1

2016-06-30 20:31:59.706 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product

2016-06-30 20:31:59.706 SafeMultiThread[31282:521698] wait for product

2016-06-30 20:32:00.707 SafeMultiThread[31282:521708] produce a product,总量:1

2016-06-30 20:32:00.708 SafeMultiThread[31282:521698] custome a product

如果你需要其他功能，源码定义如下：

@interfaceNSConditionLock:NSObject{

@privatevoid*_priv;

}

- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)conditionNS_DESIGNATED_INITIALIZER;

@property(readonly)NSIntegercondition;

- (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*nameNS_AVAILABLE(10_5,2_0);

@end

2.6、NSCondition

NSCondition*condition = [[NSConditionalloc] init];

NSMutableArray*products = [NSMutableArrayarray];

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        while(1) {

                [condition lock];

                if([products count] ==0) {

                        NSLog(@"wait for product");

                        [condition wait];

                }

                [products removeObjectAtIndex:0];NSLog(@"custome a product");

                [condition unlock];

        }

});

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        while(1) {

          [condition lock];

                [products addObject:[[NSObjectalloc] init]];

                NSLog(@"produce a product,总量:%zi",products.count);

[condition signal];

                [condition unlock];

                sleep(1);

        }

});

一种最基本的条件锁。手动控制线程wait和signal。

[condition lock];一般用于多线程同时访问、修改同一个数据源，保证在同一时间内数据源只被访问、修改一次，其他线程的命令需要在lock 外等待，只到unlock ，才可访问

[condition unlock];与lock 同时使用

[condition wait];让当前线程处于等待状态

[condition signal];CPU发信号告诉线程不用在等待，可以继续执行

上面代码执行结果如下：

2016-06-30 20:21:25.295 SafeMultiThread[31256:513991] wait for product

2016-06-30 20:21:25.296 SafeMultiThread[31256:513994] produce a product,总量:1

2016-06-30 20:21:25.296 SafeMultiThread[31256:513991] custome a product

2016-06-30 20:21:25.297 SafeMultiThread[31256:513991] wait for product

2016-06-30 20:21:26.302 SafeMultiThread[31256:513994] produce a product,总量:1

2016-06-30 20:21:26.302 SafeMultiThread[31256:513991] custome a product

2016-06-30 20:21:26.302 SafeMultiThread[31256:513991] wait for product

2016-06-30 20:21:27.307 SafeMultiThread[31256:513994] produce a product,总量:1

2016-06-30 20:21:27.308 SafeMultiThread[31256:513991] custome a product

2.7、pthread_mutex

__block pthread_mutex_t theLock;

pthread_mutex_init(&theLock,NULL);

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        pthread_mutex_lock(&theLock);

        NSLog(@"需要线程同步的操作1 开始");

        sleep(3);

        NSLog(@"需要线程同步的操作1 结束");

        pthread_mutex_unlock(&theLock);

});

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        sleep(1);

        pthread_mutex_lock(&theLock);

        NSLog(@"需要线程同步的操作2");

        pthread_mutex_unlock(&theLock);

});

c语言定义下多线程加锁方式。

1：pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_tattr);

初始化锁变量mutex。attr为锁属性，NULL值为默认属性。

2：pthread_mutex_lock(

pthread_mutex_t*mutex);加锁

3：pthread_mutex_tylock(

pthread_mutex_t*mutex);加锁，但是与2不一样的是当锁已经在使用的时候，返回为EBUSY，而不是挂起等待。

4：pthread_mutex_unlock(

pthread_mutex_t*mutex);释放锁

5：pthread_mutex_destroy(

pthread_mutex_t* *mutex);使用完后释放

代码执行操作结果如下：

2016-06-30 21:13:32.440 SafeMultiThread[31429:548869] 需要线程同步的操作1 开始

2016-06-30 21:13:35.445 SafeMultiThread[31429:548869] 需要线程同步的操作1 结束

2016-06-30 21:13:35.446 SafeMultiThread[31429:548866] 需要线程同步的操作2

2.8、pthread_mutex(recursive)

__blockpthread_mutex_ttheLock;

//pthread_mutex_init(&theLock, NULL);

pthread_mutexattr_tattr;

pthread_mutexattr_init(&attr);

pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

pthread_mutex_init(&lock, &attr);

pthread_mutexattr_destroy(&attr);

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        staticvoid(^RecursiveMethod)(int);

        RecursiveMethod = ^(intvalue) {

                pthread_mutex_lock(&theLock);if(value >0) {

                        NSLog(@"value = %d", value);

                        sleep(1);

                        RecursiveMethod(value -1);

                }

                pthread_mutex_unlock(&theLock);

};

        RecursiveMethod(5);

});

这是pthread_mutex为了防止在递归的情况下出现死锁而出现的递归锁。作用和NSRecursiveLock递归锁类似。

如果使用pthread_mutex_init(&theLock, NULL);初始化锁的话，上面的代码会出现死锁现象。如果使用递归锁的形式，则没有问题。

2.9、OSSpinLock

__block OSSpinLock theLock = OS_SPINLOCK_INIT;

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        OSSpinLockLock(&theLock);

        NSLog(@"需要线程同步的操作1 开始");

        sleep(3);

        NSLog(@"需要线程同步的操作1 结束");

        OSSpinLockUnlock(&theLock);

});

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT,0), ^{

        OSSpinLockLock(&theLock);

        sleep(1);

        NSLog(@"需要线程同步的操作2");

        OSSpinLockUnlock(&theLock);

});

OSSpinLock 自旋锁，性能最高的锁。原理很简单，就是一直 do while 忙等。它的缺点是当等待时会消耗大量 CPU 资源，所以它不适用于较长时间的任务。不过最近YY大神在自己的博客不再安全的 OSSpinLock中说明了OSSpinLock已经不再安全，请大家谨慎使用。

三、性能对比

对以上各个锁进行1000000此的加锁解锁的空操作时间如下：

OSSpinLock: 46.15 ms

dispatch_semaphore: 56.50 ms

pthread_mutex: 178.28 ms

NSCondition: 193.38 ms

NSLock: 175.02 ms

pthread_mutex(recursive): 172.56 ms

NSRecursiveLock: 157.44 ms

NSConditionLock: 490.04 ms

@synchronized: 371.17 ms

总的来说：

OSSpinLock和dispatch_semaphore的效率远远高于其他。

@synchronized和NSConditionLock效率较差。

鉴于OSSpinLock的不安全，所以我们在开发中如果考虑性能的话，建议使用dispatch_semaphore。

如果不考虑性能，只是图个方便的话，那就使用@synchronized。

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正文我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
茶点故事阅读 37,685评论 1赞 329
活死人
序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
沈念sama阅读 33,371评论 4赞 318
日本核电站爆炸内幕
正文年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
茶点故事阅读 38,951评论 3赞 307
男人毒药：我在死后第九天来索命
文/蒙蒙一、第九天我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
开封第一讲书人阅读 29,934评论 0赞 19
一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
文/苍兰香墨我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。一阵脚步声响...
开封第一讲书人阅读 31,167评论 1赞 259
情欲美人皮
我被黑心中介骗来泰国打工，没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。一个月前我还...
沈念sama阅读 43,636评论 2赞 349
代替公主和亲
正文我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
茶点故事阅读 42,411评论 2赞 342