iOS 底层 day20 多线程 队列组 安全隐患 锁本质 自旋锁

一、多线程和 RunLoop 的碰撞

1. 请问下面的代码，点击页面后打印顺序是什么？
代码
  • 打印 1 2 3
2. 请问下面的代码，点击页面后打印顺序是什么？
代码
  • 打印 1 3
  • 为什么 2 没有被打印呢？请继续往下阅读，寻找答案
3. -performSelector:withObject 的本质
objc 源码
  • 从苹果开源的 objc 源码中，我们发现 -performSelector:withObject 的本质其实就是消息发送。
  • 所以 题目中的 [self performSelector:@selector(test) withObject:nil] 等价于 [self test]
  • 因此，打印 1 2 3 就得到了解释
4. GNUstep 是什么？
  • GNUstep 是 GNU 计划的项目之一，它将 Cocoa 的 OC 库重新开源实现了一遍
  • 源码地址：http://gnustep.org/resources/downloads.php
  • 虽然 GNUstep 不是苹果官方源码，但还是具有一定的参考价值
5. -performSelector:withObject:afterDelay: 的本质

  • 我们从 Xcode 中进入 -performSelector:withObject:afterDelay: 的方法说明，发现它属于 NSRunLoop.h 文件下，而苹果对于这部分代码是不开源的。

  • 我们从 GNUstep 可以找到其实现，大致如下：

`-performSelector:withObject:afterDelay:` 的本质

  • 因此可以解答我们上述问题 2 的疑惑，队列 queue 中没有启动 RunLoop，所以定时器不会生效。

  • 我们可以尝试添加 [[NSRunLoop currentRunLoop] runMode:NSDefaultRunLoopMode beforeDate:[NSDate distantFuture]]; 运行，就会打印 1 2 3 了(顺序一定是 1 2 3，想不通的可以尝试思考下哟)。

  • 同时，我们思维拓展一下，在子线程调用 [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:0 repeats:NO block:^(NSTimer * _Nonnull timer) { NSLog(@"2"); }]; 如果没有启动子线程的 RunLoop 也是会无效的哟

6. 巩固练习，下面代码会发生什么？
题目
  • 会打印 1 ，然后程序在 perform 语句 发生崩溃，因为没有 RunLoop 的支持，thread 很快就退出销毁了。

二、GCD 队列组

1. 代码实现：任务1 和任务2 异步并发执行，等任务1 和任务2 执行完毕，回到主线程执行 任务3
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务1 %@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务2 %@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务3 %@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
}
2. 代码实现：任务1 和任务2 异步并发执行，等任务1 和任务2 执行完毕，并发执行 任务3 和任务4
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务1 %@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务2 %@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务3 %@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务4 %@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
}

三、多线程安全隐患

1. 多线程安全隐患经典例子之一：存取取钱
存取取钱问题展示
2. 多线程安全隐患经典例子之二：卖票
卖票
3. 多线程安全隐患的解决方案
  • 解决方案：使用线程同步技术（同步，就是协同步调，按照预定先后次序进行）
  • 常见的线程同步技术是：加锁
加锁

四、多线程同步与锁的本质

1. 为什么需要锁？
  • 当多个线程共享同一块内存区域时，我们需要保证任何一个线程在访问这块内存时，所看到的内容是稳定的。如果所有的线程对这块内存的访问都只是读取，那么我们就不需要采取额外措施。
  • 但哪怕其中有一个线程会修改这块内存，那我们就要对这个线程进行同步。之所以要这么做是因为修改内存的操作往往都不是原子操作，而是分成多个时钟周期，一个线程对内存的操作可能在任何一个周期被另一个线程打断，从而导致这块内存的内容不稳定。
  • 所谓线程同步，也就是说当好几个线程对这一块内存操作完毕了，下一个线程才能接着对这个内存进行操作。
  • 如何实现线程同步呢？这就是加锁。
2. 对谁加锁？
  • 虽然我们都用过锁，但有没有考虑过这个锁本质上是给谁加呢？显然，是对这块内存加锁，好让某个线程操作这块内存时，其他线程进不来。
3. 锁的本质（这块感觉还需要很多更底层知识铺垫）？
  • 共享内存 A（大小不定），另取一块内存 L（占据最小单元内存）来标记能否操作 A
  • 流程：线程操作 A 前，要先取出 L 的值，如果是 1 的话就将其改成 0，然后操作 A，访问完A 就将 L 改成 1；如果 L 是 0 的话，就说明别的线程正在操作 A，那就需要等到别人释放。
  • 然后借助原子访存指令来保证 内存 L 的线程安全
  • 所以锁的本质：实际上就是对一块内存进行原子访问，而实现锁的这块内存，他的名字就做叫 - 互斥量

五、自旋锁 NSSpinLock

1. 锁让线程阻塞有两种方式
  • ① 让线程执行一个 while 循环，不断询问是否轮到自己执行代码了？（自旋锁）
  • ② 让线程睡觉，等轮到它执行时，将它唤醒。（互斥锁）
2. 自旋锁 NSSpinLock 简介
  • 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
  • 目前已经不再安全，可能会出现优先级反转的问题（iOS10 后已经不推荐用）
  • 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
  • 但是因为它简单，是我们很好的学习对象。
3. 代码实现存取钱（未加锁）
- (void)moneyTest {
    self.moneyCount = 1000;
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 10; i++) {
        [self drawMoney];
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 10; i++) {
        [self saveMoney];
        }
    });
    
}

- (void)drawMoney {
    int readCount = self.moneyCount;
    sleep(0.2); //模拟网络拥堵
    int remainCount = readCount - 100;
    self.moneyCount = remainCount;
    NSLog(@"存钱---%@---剩余:%d",[NSThread currentThread], remainCount);
}

- (void)saveMoney {
    int readCount = self.moneyCount;
    sleep(0.2); //模拟网络拥堵
    int remainCount = readCount + 200;
    self.moneyCount = remainCount;
    NSLog(@"取钱---%@---剩余:%d",[NSThread currentThread], remainCount);
}
  • 运行代码，可以看到最终钱总不等于 2000 元
4. 代码实现卖票（未加锁）

- (void)ticketTest {
    self.ticketsCount = 20;
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
}

- (void)saleTicket {
    int readCount = self.ticketsCount;
    sleep(0.2); //模拟网络拥堵
    int remainCount = readCount - 1;
    self.ticketsCount = remainCount;
    NSLog(@"卖票---%@---剩余:%d",[NSThread currentThread], remainCount);
}
  • 运行代码看到，最终票的总数经常不等于 0
5. 代码实现 卖票 和 存取钱（加自旋锁）
#import "ViewController.h"
#import <libkern/OSAtomic.h>

OSSpinLock moneyLock = OS_SPINLOCK_INIT;
OSSpinLock ticketsLock = OS_SPINLOCK_INIT;

@interface ViewController ()
@property(nonatomic, assign) int moneyCount;
@property(nonatomic, assign) int ticketsCount;
@end

@implementation ViewController


- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [self moneyTest];
//    [self ticketTest];
}
- (void)moneyTest {
    self.moneyCount = 1000;
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 10; i++) {
        [self drawMoney];
        }
    });
    
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0 ; i < 10; i++) {
        [self saveMoney];
        }
    });
    
}

- (void)drawMoney {
    OSSpinLockLock(&moneyLock);
    int readCount = self.moneyCount;
    sleep(0.2); //模拟网络拥堵
    int remainCount = readCount - 100;
    self.moneyCount = remainCount;
    NSLog(@"存钱---%@---剩余:%d",[NSThread currentThread], remainCount);
    OSSpinLockUnlock(&moneyLock);
}

- (void)saveMoney {
    OSSpinLockLock(&moneyLock);
    int readCount = self.moneyCount;
    sleep(0.2); //模拟网络拥堵
    int remainCount = readCount + 200;
    self.moneyCount = remainCount;
    NSLog(@"取钱---%@---剩余:%d",[NSThread currentThread], remainCount);
    OSSpinLockUnlock(&moneyLock);
}

- (void)ticketTest {
    self.ticketsCount = 20;
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            [self saleTicket];
        }
    });
}

- (void)saleTicket {
    OSSpinLockLock(&ticketsLock);
    int readCount = self.ticketsCount;
    sleep(0.2); //模拟网络拥堵
    int remainCount = readCount - 1;
    self.ticketsCount = remainCount;
    NSLog(@"卖票---%@---剩余:%d",[NSThread currentThread], remainCount);
    OSSpinLockUnlock(&ticketsLock);
}
@end
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