應(yīng)用程序里面多個(gè)線程的存在引發(fā)了多個(gè)執(zhí)行線程安全訪問(wèn)資源的潛在問(wèn)題。兩個(gè)線程同時(shí)修改同一資源有可能以意想不到的方式互相干擾。比如，一個(gè)線程可能覆蓋其他線程改動(dòng)的地方，或讓應(yīng)用程序進(jìn)入一個(gè)未知的潛在無(wú)效狀態(tài)。如果你幸運(yùn)的話，受損的資源可能會(huì)導(dǎo)致明顯的性能問(wèn)題或崩潰，這樣比較容易跟蹤并修復(fù)它。然而如果你不走運(yùn)，資源受損可能導(dǎo)致微妙的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤不會(huì)立即顯現(xiàn)出來(lái)，而是很久之后才出現(xiàn)，或者導(dǎo)致其他可能需要一個(gè)底層的編碼來(lái)顯著修復(fù)的錯(cuò)誤。

但涉及到線程安全時(shí)，一個(gè)好的設(shè)計(jì)是最好的保護(hù)。避免共享資源，并盡量減少線程間的相互作用，這樣可以讓它們減少互相的干擾。但是一個(gè)完全無(wú)干擾的設(shè)計(jì)是不可能的。在線程必須交互的情況下，你需要使用同步工具，來(lái)確保當(dāng)它們交互的時(shí)候是安全的。

Mac OS X和iOS提供了你可以使用的多個(gè)同步工具，從提供互斥訪問(wèn)你程序的有序的事件的工具等。以下個(gè)部分介紹了這些工具和如何在代碼中使用他們來(lái)影響安全的訪問(wèn)程序的資源。

1.同步工具

為了防止不同線程意外修改數(shù)據(jù)，你可以設(shè)計(jì)你的程序沒有同步問(wèn)題，或你也可以使用同步工具。盡管完全避免出現(xiàn)同步問(wèn)題相對(duì)更好一點(diǎn)，但是幾乎總是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。以下個(gè)部分介紹了你可以使用的同步工具的基本類別。

1.1 原子操作

原子操作是同步的一個(gè)簡(jiǎn)單的形式，它處理簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)類型。原子操作的優(yōu)勢(shì)是它們不妨礙競(jìng)爭(zhēng)的線程。對(duì)于簡(jiǎn)單的操作，比如遞增一個(gè)計(jì)數(shù)器，原子操作比使用鎖具有更高的性能優(yōu)勢(shì)。

Mac OS X和iOS包含了許多在32位和64位執(zhí)行基本的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算的操作。這些操作都使用了原子版本來(lái)操作比較和交換，測(cè)試和設(shè)置，測(cè)試和清理等。查看支持原子操作的列表，參閱/user/include/libkern/OSAtomic.h頭文件和參見atomic主頁(yè)。

1.2 內(nèi)存屏障和 Volatile 變量

為了達(dá)到最佳性能，編譯器通常會(huì)對(duì)匯編基本的指令進(jìn)行重新排序來(lái)盡可能保持處理器的指令流水線。作為優(yōu)化的一部分，編譯器有可能對(duì)訪問(wèn)主內(nèi)存的指令，如果它認(rèn)為這有可能產(chǎn)生不正確的數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重新排序。不幸的是，靠編譯器檢測(cè)到所有可能內(nèi)存依賴的操作幾乎總是不太可能的。如果看似獨(dú)立的變量實(shí)際上是相互影響，那么編譯器優(yōu)化有可能把這些變量更新位錯(cuò)誤的順序，導(dǎo)致潛在不不正確結(jié)果。

內(nèi)存屏障（memory barrier）是一個(gè)使用來(lái)確保內(nèi)存操作按照正確的順序工作的非阻塞的同步工具。內(nèi)存屏障的作用就像一個(gè)柵欄，迫使處理器來(lái)完成位于障礙前面的任何加載和存儲(chǔ)操作，才允許它執(zhí)行位于屏障之后的加載和存儲(chǔ)操作。內(nèi)存屏障同樣使用來(lái)確保一個(gè)線程（但對(duì)另外一個(gè)線程可見）的內(nèi)存操作總是按照預(yù)定的順序完成。如果在這些地方缺少內(nèi)存屏障有可能讓其他線程看到看似不可能的結(jié)果（比如，內(nèi)存屏障的維基百科條目）。為了使用一個(gè)內(nèi)存屏障，你只要在你代碼里面需要的地方簡(jiǎn)單的調(diào)用OSMemoryBarrier函數(shù)。

Volatile 變量適用于獨(dú)立變量的另一個(gè)內(nèi)存限制類型。編譯器優(yōu)化代碼通過(guò)加載這些變量的值進(jìn)入寄存器。對(duì)于本地變量，這通常不會(huì)有什么問(wèn)題。但是如果一個(gè)變量對(duì)另外一個(gè)線程可見，那么這種優(yōu)化可能會(huì)阻止其他線程發(fā)現(xiàn)變量的任何變化。在變量之前加上關(guān)鍵字volatile可以強(qiáng)制編譯器每次使用變量的時(shí)候都從內(nèi)存里面加載。如果一個(gè)變量的值隨時(shí)可能給編譯器無(wú)法檢測(cè)的外部源更改，那么你可以把該變量聲明為volatile變量。

因?yàn)閮?nèi)存屏障和volatile變量降低了編譯器可執(zhí)行的優(yōu)化，因此你應(yīng)該謹(jǐn)慎使用它們，只在有需要的地方時(shí)候，以確保正確性。關(guān)于更多使用內(nèi)存屏障的信息，參閱OSMemoryBarrier主頁(yè)。

1.3 鎖

鎖是最常用的同步工具。你可以是使用鎖來(lái)保護(hù)臨界區(qū)(critical section)，這些代碼段在同一個(gè)時(shí)間只能允許被一個(gè)線程訪問(wèn)。比如，一個(gè)臨界區(qū)可能會(huì)操作一個(gè)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或使用了每次只能一個(gè)客戶端訪問(wèn)的資源。

表4-1列出了程序最常使用的鎖。Mac OS X和iOS提供了這些鎖里面大部分類型的實(shí)現(xiàn)，但是并不是全部實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不支持的鎖類型，說(shuō)明列解析了為什么這些鎖不能直接在平臺(tái)上面實(shí)現(xiàn)的原因。

Table 4-1  Lock types

注意：大部分鎖類型都合并了內(nèi)存屏障來(lái)確保在進(jìn)入臨界區(qū)之前它前面的加載和存儲(chǔ)指令都已經(jīng)完成。

關(guān)于如何使用鎖的信息，參閱”使用鎖”部分。

1.4 條件

條件是信號(hào)量的另外一個(gè)形式，它允許在條件為真的時(shí)候線程間互相發(fā)送信號(hào)。條件通常被使用來(lái)說(shuō)明資源可用性，或用來(lái)確保任務(wù)以特定的順序執(zhí)行。當(dāng)一個(gè)線程測(cè)試一個(gè)條件時(shí)，它會(huì)被阻塞直到條件為真。它會(huì)一直阻塞直到其他線程顯式的修改信號(hào)量的狀態(tài)。條件和互斥鎖(mutex lock)的區(qū)別在于多個(gè)線程被允許同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)條件。條件更多是允許不同線程根據(jù)一些指定的標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)的守門人。

一個(gè)方式是你使用條件來(lái)管理掛起事件的池。事件隊(duì)列可能使用條件變量來(lái)給等待線程發(fā)送信號(hào)，此時(shí)它們?cè)谑录?duì)列中的時(shí)候。如果一個(gè)事件到達(dá)時(shí)，隊(duì)列將給條件發(fā)送合適信號(hào)。如果一個(gè)線程已經(jīng)處于等待，它會(huì)被喚醒，屆時(shí)它將會(huì)取出事件并處理它。如果兩個(gè)事件到達(dá)隊(duì)列的時(shí)間大致相同，隊(duì)列將會(huì)發(fā)送兩次信號(hào)喚醒兩個(gè)線程。

系統(tǒng)通過(guò)幾個(gè)不同的技術(shù)來(lái)支持條件。然而正確實(shí)現(xiàn)條件需要仔細(xì)編寫代碼，因此你應(yīng)該在你自己代碼中使用條件之前查看”使用條件”部分的例子。

1.5 執(zhí)行Selector例程

Cocoa程序包含了一個(gè)在一個(gè)線程以同步的方式傳遞消息的方便方法。NSObject類聲明方法來(lái)在應(yīng)用的一個(gè)活動(dòng)線程上面執(zhí)行selector的方法。這些方法允許你的線程以異步的方式來(lái)傳遞消息，以確保它們?cè)谕粋€(gè)線程上面執(zhí)行是同步的。比如，你可以通過(guò)執(zhí)行selector消息來(lái)把一個(gè)從你分布計(jì)算的結(jié)果傳遞給你的應(yīng)用的主線程或其他目標(biāo)線程。每個(gè)執(zhí)行selector的請(qǐng)求都會(huì)被放入一個(gè)目標(biāo)線程的run loop的隊(duì)列里面，然后請(qǐng)求會(huì)按照它們到達(dá)的順序被目標(biāo)線程有序的處理。

關(guān)于執(zhí)行selector例程的總結(jié)和更多關(guān)于如何使用它們的信息，參閱Cocoa執(zhí)行Selector源。

2.同步的成本和性能

同步幫助確保你代碼的正確性，但同時(shí)將會(huì)犧牲部分性能。甚至在無(wú)爭(zhēng)議的情況下，同步工具的使用將在后面介紹。鎖和原子操作通常包含了內(nèi)存屏障和內(nèi)核級(jí)別同步的使用來(lái)確保代碼正確被保護(hù)。如果，發(fā)生鎖的爭(zhēng)奪，你的線程有可能進(jìn)入阻塞，在體驗(yàn)上會(huì)產(chǎn)生更大的遲延。

表4-2列出了在無(wú)爭(zhēng)議情況下使用互斥鎖和原子操作的近似的相關(guān)成本。這些測(cè)試的平均值是使用了上千的樣本分析出的結(jié)果。隨著線程創(chuàng)建時(shí)間的推移，互斥采集時(shí)間（即使在無(wú)爭(zhēng)議情況下）可能相差也很大，這依賴于進(jìn)程的加載，計(jì)算機(jī)的處理速度和系統(tǒng)和程序現(xiàn)有可用的內(nèi)存。

Table 4-2  Mutex and atomic operation costs

當(dāng)設(shè)計(jì)你的并發(fā)任務(wù)時(shí)，正確性是最重要的因素，但是也要考慮性能因素。代碼在多個(gè)線程下面正確執(zhí)行，但比相同代碼在當(dāng)線程執(zhí)行慢，這是難以改善的。如果你是改造已有的單線程應(yīng)用，你應(yīng)該始終給關(guān)鍵任務(wù)的性能設(shè)置測(cè)量基線。當(dāng)增加額外線程后，對(duì)相同的任務(wù)你應(yīng)該采取新的測(cè)量方法并比較多線程和單線程情況下的性能狀況。在改變代碼之后，線程并沒有提高性能，你應(yīng)該需要重新考慮具體的實(shí)現(xiàn)或同時(shí)使用線程。

關(guān)于性能的信息和收集指標(biāo)的工具，參閱Performance Overview。關(guān)于鎖原子成本的特定信息，參閱”線程成本”部分。

3.線程安全和信號(hào)量

當(dāng)涉及到多線程應(yīng)用程序時(shí)，沒有什么比處理信號(hào)量更令人恐懼和困惑的了。信號(hào)量是底層BSD機(jī)制，它可以用來(lái)傳遞信息給進(jìn)程或以某種方式操縱它。一些應(yīng)用程序使用信號(hào)量來(lái)檢測(cè)特定事件，比如子進(jìn)程的消亡。系統(tǒng)使用信號(hào)量來(lái)終止失控進(jìn)程，和作為其他類型的通信消息。

使用信號(hào)量的問(wèn)題并不是你要做什么，而是當(dāng)你程序是多線程的時(shí)候它們的行為。在當(dāng)線程應(yīng)用程序里面，所有的信號(hào)量處理都在主線程進(jìn)行。在多線程應(yīng)用程序里面，信號(hào)量被傳遞到恰好運(yùn)行的線程，而不依賴于特定的硬件錯(cuò)誤（比如非法指令）。如果多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，信號(hào)量被傳遞到任何一個(gè)系統(tǒng)挑選的線程。換而言之，信號(hào)量可以傳遞給你應(yīng)用的任何線程。

在你應(yīng)用程序里面實(shí)現(xiàn)信號(hào)量處理的第一條規(guī)則是避免假設(shè)任一線程處理信號(hào)量。如果一個(gè)指定的線程想要處理給定的信號(hào)，你需要通過(guò)某些方法來(lái)通知該線程信號(hào)何時(shí)到達(dá)。你不能只是假設(shè)該線程的一個(gè)信號(hào)處理例程的安裝會(huì)導(dǎo)致信號(hào)被傳遞到同一線程里面。

關(guān)于更多信號(hào)量的信息和信號(hào)量處理例程的安裝信息，參見signal和sigaction主頁(yè)。

4.線程安全設(shè)計(jì)的技巧

同步工具是讓你代碼安全的有用方法，但是它們并非靈丹妙藥。使用太多鎖和其他同步的類型原語(yǔ)和非多線程相比明顯會(huì)降低你應(yīng)用的線程性能。在性能和安全之間尋找平衡是一門需要經(jīng)驗(yàn)的藝術(shù)。以下各部分提供幫助你為你應(yīng)用選擇合適的同步級(jí)別的技巧。

4.1 完全避免同步

對(duì)于你新的項(xiàng)目，甚至已有項(xiàng)目，設(shè)計(jì)你的代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)避免使用同步是一個(gè)很好的解決辦法。雖然鎖和其他類型同步工具很有用，但是它們會(huì)影響任何應(yīng)用的性能。而且如果整體設(shè)計(jì)導(dǎo)致特定資源的高競(jìng)爭(zhēng)，你的線程可能需要等待更長(zhǎng)時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)并發(fā)最好的方法是減少你并發(fā)任務(wù)之間的交互和相互依賴。如果每個(gè)任務(wù)在它自己的數(shù)據(jù)集上面操作，那它不需要使用鎖來(lái)保護(hù)這些數(shù)據(jù)。甚至如果兩個(gè)任務(wù)共享一個(gè)普通數(shù)據(jù)集，你可以查看分區(qū)方法，它們?cè)O(shè)置或提供拷貝每一項(xiàng)任務(wù)的方法。當(dāng)然，拷貝數(shù)據(jù)集本身也需要成本，所以在你做出決定前，你需要權(quán)衡這些成本和使用同步工具造成的成本那個(gè)更可以接受。

4.2 了解同步的限制

同步工具只有當(dāng)它們被用在應(yīng)用程序中的所有線程是一致時(shí)才是有效的。如果你創(chuàng)建了互斥鎖來(lái)限制特定資源的訪問(wèn)，你所有線程都必須在試圖操縱資源前獲得同一互斥鎖。如果不這樣做導(dǎo)致破壞一個(gè)互斥鎖提供的保護(hù)，這是編程的錯(cuò)誤。

4.3 注意對(duì)代碼正確性的威脅

當(dāng)你使用鎖和內(nèi)存屏障時(shí)，你應(yīng)該總是小心的把它們放在你代碼正確的地方。即使有條件的鎖（似乎很好放置）也可能會(huì)讓你產(chǎn)生一個(gè)虛假的安全感。以下一系列例子試圖通過(guò)指出看似無(wú)害的代碼的漏洞來(lái)舉例說(shuō)明該問(wèn)題。其基本前提是你有一個(gè)可變的數(shù)組，它包含一組不可變的對(duì)象集。假設(shè)你想要調(diào)用數(shù)組中第一個(gè)對(duì)象的方法。你可能會(huì)做類似下面那樣的代碼：

NSLock* arrayLock = GetArrayLock(); 
NSMutableArray* myArray = GetSharedArray(); 
id anObject; 
  
[arrayLock lock]; 
anObject = [myArray objectAtIndex:0]; 
[arrayLock unlock]; 
  
[anObject doSomething];  

因?yàn)閿?shù)組是可變的，所有數(shù)組周圍的鎖防止其他線程修改該數(shù)組直到你獲得了想要的對(duì)象。而且因?yàn)閷?duì)象限制它們本身是不可更改的，所以在調(diào)用對(duì)象的doSomething方法周圍不需要鎖。

但是上面顯式的例子有一個(gè)問(wèn)題。如果當(dāng)你釋放該鎖，而在你有機(jī)會(huì)執(zhí)行doSomething方法前其他線程到來(lái)并從數(shù)組中刪除所有對(duì)象，那會(huì)發(fā)生什么呢？對(duì)于沒有使用垃圾回收的應(yīng)用程序，你代碼用戶的對(duì)象可能已經(jīng)釋放了，讓anObject對(duì)象指向一個(gè)非法的內(nèi)存地址。了修正該問(wèn)題，你可能決定簡(jiǎn)單的重新安排你的代碼，讓它在調(diào)用doSomething之后才釋放鎖，如下所示：

NSLock* arrayLock = GetArrayLock(); 
NSMutableArray* myArray = GetSharedArray(); 
id anObject; 
  
[arrayLock lock]; 
anObject = [myArray objectAtIndex:0]; 
[anObject doSomething]; 
[arrayLock unlock]; 

通過(guò)把doSomething的調(diào)用移到鎖的內(nèi)部，你的代碼可以保證該方法被調(diào)用的時(shí)候該對(duì)象還是有效的。不幸的是，如果doSomething方法需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，這有可能導(dǎo)致你的代碼保持擁有該鎖很長(zhǎng)時(shí)間，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)性能瓶頸。

該代碼的問(wèn)題不是關(guān)鍵區(qū)域定義不清，而是實(shí)際問(wèn)題是不可理解的。真正的問(wèn)題是由其他線程引發(fā)的內(nèi)存管理的問(wèn)題。因?yàn)樗梢员黄渌€程釋放，最好的解決辦法是在釋放鎖之前retain anObject。該解決方案涉及對(duì)象被釋放，并沒有引發(fā)一個(gè)強(qiáng)制的性能損失。

NSLock* arrayLock = GetArrayLock(); 
NSMutableArray* myArray = GetSharedArray(); 
id anObject; 
  
[arrayLock lock]; 
anObject = [myArray objectAtIndex:0]; 
[anObject retain]; 
[arrayLock unlock]; 
  
[anObject doSomething]; 
[anObject release]; 

盡管前面的例子非常簡(jiǎn)單，它們說(shuō)明了非常重要的一點(diǎn)。當(dāng)它涉及到正確性時(shí)，你需要考慮不僅僅是問(wèn)題的表面。內(nèi)存管理和其他影響你設(shè)計(jì)的因子都有可能因?yàn)槌霈F(xiàn)多個(gè)線程而受到影響，所以你必須考慮從上到下考慮這些問(wèn)題。此外，你應(yīng)該在涉及安全的時(shí)候假設(shè)編譯器總是出現(xiàn)最壞的情況。這種意識(shí)和警惕性，可以幫你避免潛在的問(wèn)題，并確保你的代碼運(yùn)行正確。

關(guān)于更多介紹如何讓你應(yīng)用程序安全的額外例子，參閱Technical Note TN2059:”Using Collection Classes Safely in Multithreaded Application”。

4.4 當(dāng)心死鎖（Deadlocks）和活鎖(Livelocks)

任何時(shí)候線程試圖同時(shí)獲得多于一個(gè)鎖，都有可能引發(fā)潛在的死鎖。當(dāng)兩個(gè)不同的線程分別保持一個(gè)鎖（而該鎖是另外一個(gè)線程需要的）又試圖獲得另外線程保持的鎖時(shí)就會(huì)發(fā)生死鎖。結(jié)果是每個(gè)線程都會(huì)進(jìn)入持久性阻塞狀態(tài)，因?yàn)樗肋h(yuǎn)不可能獲得另外那個(gè)鎖。

一個(gè)活鎖和死鎖類似，當(dāng)兩個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)資源的時(shí)候就可能發(fā)生活鎖。在發(fā)生活鎖的情況里，一個(gè)線程放棄它的第一個(gè)鎖并試圖獲得第二個(gè)鎖。一旦它獲得第二個(gè)鎖，它返回并試圖再次獲得一個(gè)鎖。線程就會(huì)被鎖起來(lái)，因?yàn)樗ㄙM(fèi)所有的時(shí)間來(lái)釋放一個(gè)鎖，并試圖獲取其他鎖，而不做實(shí)際的工作。

避免死鎖和活鎖的最好方法是同一個(gè)時(shí)間只擁有一個(gè)鎖。如果你必須在同一時(shí)間獲取多于一個(gè)鎖，你應(yīng)該確保其他線程沒有做類似的事情。

4.5 正確使用Volatile變量

如果你已經(jīng)使用了一個(gè)互斥鎖來(lái)保護(hù)一個(gè)代碼段，不要自動(dòng)假設(shè)你需要使用關(guān)鍵詞volatile來(lái)保護(hù)該代碼段的重要的變量。一個(gè)互斥鎖包含了內(nèi)存屏障來(lái)確保加載和存儲(chǔ)操作是按照正確順序的。在一個(gè)臨界區(qū)添加關(guān)鍵字volatile到變量上面會(huì)強(qiáng)制每次訪問(wèn)該變量的時(shí)候都要從內(nèi)存里面從加載。這兩種同步技巧的組合使用在一些特定區(qū)域是必須的，但是同樣會(huì)導(dǎo)致顯著的性能損失。如果單獨(dú)使用互斥鎖已經(jīng)可以保護(hù)變量，那么忽略關(guān)鍵字volatile。

為了避免使用互斥鎖而不使用volatile變量同樣很重要。通常情況下，互斥鎖和其他同步機(jī)制是比volatile變量更好的方式來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性。關(guān)鍵字volatile只是確保從內(nèi)存加載變量而不是使用寄存器里面的變量。它不保證你代碼訪問(wèn)變量是正確的。

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5.使用原子操作

非阻塞同步的方式是用來(lái)執(zhí)行某些類型的操作而避免擴(kuò)展使用鎖。盡管鎖是同步兩個(gè)線程的很好方式，獲取一個(gè)鎖是一個(gè)很昂貴的操作，即使在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)下。相比，許多原子操作花費(fèi)很少的時(shí)間來(lái)完成操作也可以達(dá)到和鎖一樣的效果。

原子操作可以讓你在32位或64位的處理器上面執(zhí)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)和邏輯的運(yùn)算操作。這些操作依賴于特定的硬件設(shè)施（和可選的內(nèi)存屏障）來(lái)保證給定的操作在影響內(nèi)存再次訪問(wèn)的時(shí)候已經(jīng)完成。在多線程情況下，你應(yīng)該總是使用原子操作，它和內(nèi)存屏障組合使用來(lái)保證多個(gè)線程間正確的同步內(nèi)存。

表4-3列出了可用的原子運(yùn)算和本地操作和相應(yīng)的函數(shù)名。這些函數(shù)聲明在/usr/include/libkern/OSAtomic.h頭文件里面，在那里你也可以找到完整的語(yǔ)法。這些函數(shù)的64-位版本只能在64位的進(jìn)程里面使用。

Table 4-3  Atomic math and logic operations

大部分原子函數(shù)的行為是相對(duì)簡(jiǎn)單的并應(yīng)該是你想要的。然而列表4-1顯式了測(cè)試-設(shè)置和比較-交換操作的原子行為，它們相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)。OSAtomicTestAndSet 第一次調(diào)用展示了如何對(duì)一個(gè)整形值進(jìn)行位運(yùn)算操作，而它的結(jié)果和你預(yù)期的有差異。最后兩次調(diào)用OSAtomicCompareAndSwap32顯式它的行為。所有情況下，這些函數(shù)都是無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的下調(diào)用的，此時(shí)沒有其他線程試圖操作這些值。

Listing 4-1  Performing atomic operations

int32_t  theValue = 0; 
OSAtomicTestAndSet(0, &theValue); 
// theValue is now 128. 
  
theValue = 0; 
OSAtomicTestAndSet(7, &theValue); 
// theValue is now 1. 
  
theValue = 0; 
OSAtomicTestAndSet(15, &theValue) 
// theValue is now 256. 
  
OSAtomicCompareAndSwap32(256, 512, &theValue); 
// theValue is now 512. 
  
OSAtomicCompareAndSwap32(256, 1024, &theValue); 
// theValue is still 512. 

關(guān)于原子操作的更多信息，參見atomic的主頁(yè)和/usr/include/libkern/OSAtomic.h頭文件。

6.使用鎖

鎖是線程編程同步工具的基礎(chǔ)。鎖可以讓你很容易保護(hù)代碼中一大塊區(qū)域以便你可以確保代碼的正確性。Mac OS X和iOS都位所有類型的應(yīng)用程序提供了互斥鎖，而Foundation框架定義一些特殊情況下互斥鎖的額外變種。以下個(gè)部分顯式了如何使用這些鎖的類型。

6.1 使用POSIX互斥鎖

POSIX互斥鎖在很多程序里面很容易使用。為了新建一個(gè)互斥鎖，你聲明并初始化一個(gè)pthread_mutex_t的結(jié)構(gòu)。為了鎖住和解鎖一個(gè)互斥鎖，你可以使用pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock函數(shù)。列表4-2顯式了要初始化并使用一個(gè)POSIX線程的互斥鎖的基礎(chǔ)代碼。當(dāng)你用完一個(gè)鎖之后，只要簡(jiǎn)單的調(diào)用pthread_mutex_destroy來(lái)釋放該鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

Listing 4-2  Using a mutex lock

pthread_mutex_t mutex; 
void MyInitFunction() 
{ 
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 
} 
  
void MyLockingFunction() 
{ 
    pthread_mutex_lock(&mutex); 
    // Do work. 
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
} 

注意：上面的代碼只是簡(jiǎn)單的顯式了使用一個(gè)POSIX線程互斥鎖的步驟。你自己的代碼應(yīng)該檢查這些函數(shù)返回的錯(cuò)誤碼，并適當(dāng)?shù)奶幚硭鼈儭?/p>

6.2 使用NSLock類

在Cocoa程序中NSLock中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的互斥鎖。所有鎖（包括NSLock）的接口實(shí)際上都是通過(guò)NSLocking協(xié)議定義的，它定義了lock和unlock方法。你使用這些方法來(lái)獲取和釋放該鎖。

除了標(biāo)準(zhǔn)的鎖行為，NSLock類還增加了tryLock和lockBeforeDate:方法。方法tryLock試圖獲取一個(gè)鎖，但是如果鎖不可用的時(shí)候，它不會(huì)阻塞線程。相反，它只是返回NO。而lockBeforeDate:方法試圖獲取一個(gè)鎖，但是如果鎖沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被獲得，它會(huì)讓線程從阻塞狀態(tài)變?yōu)榉亲枞麪顟B(tài)（或者返回NO）。

下面的例子顯式了你可以是NSLock對(duì)象來(lái)協(xié)助更新一個(gè)可視化顯式，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被多個(gè)線程計(jì)算。如果線程沒有立即獲的鎖，它只是簡(jiǎn)單的繼續(xù)計(jì)算直到它可以獲得鎖再更新顯式。 

6.3 使用@synchronized指令

@synchronized指令是在Objective-C代碼中創(chuàng)建一個(gè)互斥鎖非常方便的方法。@synchronized指令做和其他互斥鎖一樣的工作（它防止不同的線程在同一時(shí)間獲取同一個(gè)鎖）。然而在這種情況下，你不需要直接創(chuàng)建一個(gè)互斥鎖或鎖對(duì)象。相反，你只需要簡(jiǎn)單的使用Objective-C對(duì)象作為鎖的令牌，如下面例子所示：

- (void)myMethod:(id)anObj 
{ 
    @synchronized(anObj) 
    { 
        // Everything between the braces is protected by the @synchronized directive. 
    } 
} 

創(chuàng)建給@synchronized指令的對(duì)象是一個(gè)用來(lái)區(qū)別保護(hù)塊的唯一標(biāo)示符。如果你在兩個(gè)不同的線程里面執(zhí)行上述方法，每次在一個(gè)線程傳遞了一個(gè)不同的對(duì)象給anObj參數(shù)，那么每次都將會(huì)擁有它的鎖，并持續(xù)處理，中間不被其他線程阻塞。然而，如果你傳遞的是同一個(gè)對(duì)象，那么多個(gè)線程中的一個(gè)線程會(huì)首先獲得該鎖，而其他線程將會(huì)被阻塞直到第一個(gè)線程完成它的臨界區(qū)。

作為一種預(yù)防措施，@synchronized塊隱式的添加一個(gè)異常處理例程來(lái)保護(hù)代碼。該處理例程會(huì)在異常拋出的時(shí)候自動(dòng)的釋放互斥鎖。這意味著為了使用@synchronized指令，你必須在你的代碼中啟用異常處理。了如果你不想讓隱式的異常處理例程帶來(lái)額外的開銷，你應(yīng)該考慮使用鎖的類。

關(guān)于更多@synchronized指令的信息，參閱The Objective-C Programming Language。

6.4 使用其他Cocoa鎖

以下個(gè)部分描述了使用Cocoa其他類型的鎖。

使用NSRecursiveLock對(duì)象

NSRecursiveLock類定義的鎖可以在同一線程多次獲得，而不會(huì)造成死鎖。一個(gè)遞歸鎖會(huì)跟蹤它被多少次成功獲得了。每次成功的獲得該鎖都必須平衡調(diào)用鎖住和解鎖的操作。只有所有的鎖住和解鎖操作都平衡的時(shí)候，鎖才真正被釋放給其他線程獲得。

正如它名字所言，這種類型的鎖通常被用在一個(gè)遞歸函數(shù)里面來(lái)防止遞歸造成阻塞線程。你可以類似的在非遞歸的情況下使用他來(lái)調(diào)用函數(shù)，這些函數(shù)的語(yǔ)義要求它們使用鎖。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單遞歸函數(shù)，它在遞歸中獲取鎖。如果你不在該代碼里使用NSRecursiveLock對(duì)象，當(dāng)函數(shù)被再次調(diào)用的時(shí)候線程將會(huì)出現(xiàn)死鎖。

NSRecursiveLock *theLock = [[NSRecursiveLock alloc] init]; 
void MyRecursiveFunction(int value) 
{ 
    [theLock lock]; 
    if (value != 0) 
    { 
        --value; 
        MyRecursiveFunction(value); 
    } 
    [theLock unlock]; 
} 
MyRecursiveFunction(5); 

注意：因?yàn)橐粋€(gè)遞歸鎖不會(huì)被釋放直到所有鎖的調(diào)用平衡使用了解鎖操作，所以你必須仔細(xì)權(quán)衡是否決定使用鎖對(duì)性能的潛在影響。長(zhǎng)時(shí)間持有一個(gè)鎖將會(huì)導(dǎo)致其他線程阻塞直到遞歸完成。如果你可以重寫你的代碼來(lái)消除遞歸或消除使用一個(gè)遞歸鎖，你可能會(huì)獲得更好的性能。

使用NSConditionLock對(duì)象

NSConditionLock對(duì)象定義了一個(gè)互斥鎖，可以使用特定值來(lái)鎖住和解鎖。不要把該類型的鎖和條件（參見“條件”部分）混淆了。它的行為和條件有點(diǎn)類似，但是它們的實(shí)現(xiàn)非常不同。

通常，當(dāng)多線程需要以特定的順序來(lái)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，你可以使用一個(gè)NSConditionLock對(duì)象，比如當(dāng)一個(gè)線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而另外一個(gè)線程消費(fèi)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者執(zhí)行時(shí)，消費(fèi)者使用由你程序指定的條件來(lái)獲取鎖（條件本身是一個(gè)你定義的整形值）。當(dāng)生產(chǎn)者完成時(shí)，它會(huì)解鎖該鎖并設(shè)置鎖的條件為合適的整形值來(lái)喚醒消費(fèi)者線程，之后消費(fèi)線程繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。

NSConditionLock的鎖住和解鎖方法可以任意組合使用。比如，你可以使用unlockWithCondition:和lock消息，或使用lockWhenCondition:和unlock消息。當(dāng)然，后面的組合可以解鎖一個(gè)鎖但是可能沒有釋放任何等待某特定條件值的線程。

下面的例子顯示了生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題如何使用條件鎖來(lái)處理。想象一個(gè)應(yīng)用程序包含一個(gè)數(shù)據(jù)的隊(duì)列。一個(gè)生產(chǎn)者線程把數(shù)據(jù)添加到隊(duì)列，而消費(fèi)者線程從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者不需要等待特定的條件，但是它必須等待鎖可用以便它可以安全的把數(shù)據(jù)添加到隊(duì)列。

id condLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:NO_DATA]; 
  
while(true) 
{ 
    [condLock lock]; 
    /* Add data to the queue. */ 
    [condLock unlockWithCondition:HAS_DATA]; 
} 

因?yàn)槌跏蓟瘲l件鎖的值為NO_DATA，生產(chǎn)者線程在初始化的時(shí)候可以毫無(wú)問(wèn)題的獲取該鎖。它會(huì)添加隊(duì)列數(shù)據(jù)，并把條件設(shè)置為HAS_DATA。在隨后的迭代中，生產(chǎn)者線程可以把到達(dá)的數(shù)據(jù)添加到隊(duì)列，無(wú)論隊(duì)列是否為空或依然有數(shù)據(jù)。唯一讓它進(jìn)入阻塞的情況是當(dāng)一個(gè)消費(fèi)者線程充隊(duì)列取出數(shù)據(jù)的時(shí)候。

因?yàn)橄M(fèi)者線程必須要有數(shù)據(jù)來(lái)處理，它會(huì)使用一個(gè)特定的條件來(lái)等待隊(duì)列。當(dāng)生產(chǎn)者把數(shù)據(jù)放入隊(duì)列時(shí)，消費(fèi)者線程被喚醒并獲取它的鎖。它可以從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)，并更新隊(duì)列的狀態(tài)。下列代碼顯示了消費(fèi)者線程處理循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)。

while (true) 
{ 
    [condLock lockWhenCondition:HAS_DATA]; 
    /* Remove data from the queue. */ 
    [condLock unlockWithCondition:(isEmpty ? NO_DATA : HAS_DATA)]; 
  
    // Process the data locally. 
} 

使用NSDistributedLock對(duì)象

NSDistributedLock類可以被多臺(tái)主機(jī)上的多個(gè)應(yīng)用程序使用來(lái)限制對(duì)某些共享資源的訪問(wèn)，比如一個(gè)文件。鎖本身是一個(gè)高效的互斥鎖，它使用文件系統(tǒng)項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如一個(gè)文件或目錄。對(duì)于一個(gè)可用的NSDistributedLock對(duì)象，鎖必須由所有使用它的程序?qū)懭搿＿@通常意味著把它放在文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)可以被所有運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上面的應(yīng)用程序訪問(wèn)。

不像其他類型的鎖，NSDistributedLock并沒有實(shí)現(xiàn)NSLocking協(xié)議，所有它沒有l(wèi)ock方法。一個(gè)lock方法將會(huì)阻塞線程的執(zhí)行，并要求系統(tǒng)以預(yù)定的速度輪詢鎖。以其在你的代碼中實(shí)現(xiàn)這種約束，NSDistributedLock提供了一個(gè)tryLock方法，并讓你決定是否輪詢。

因?yàn)樗褂梦募到y(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)NSDistributedLock對(duì)象不會(huì)被釋放除非它的擁有者顯式的釋放它。如果你的程序在用戶一個(gè)分布鎖的時(shí)候崩潰了，其他客戶端簡(jiǎn)無(wú)法訪問(wèn)該受保護(hù)的資源。在這種情況下，你可以使用breadLock方法來(lái)打破現(xiàn)存的鎖以便你可以獲取它。但是通常應(yīng)該避免打破鎖，除非你確定擁有進(jìn)程已經(jīng)死亡并不可能再釋放該鎖。

和其他類型的鎖一樣，當(dāng)你使用NSDistributedLock對(duì)象時(shí)，你可以通過(guò)調(diào)用unlock方法來(lái)釋放它。

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7.使用條件

條件是一個(gè)特殊類型的鎖，你可以使用它來(lái)同步操作必須處理的順序。它們和互斥鎖有微妙的不同。一個(gè)線程等待條件會(huì)一直處于阻塞狀態(tài)直到條件獲得其他線程顯式發(fā)出的信號(hào)。

由于微妙之處包含在操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，條件鎖被允許返回偽成功，即使實(shí)際上它們并沒有被你的代碼告知。為了避免這些偽信號(hào)操作的問(wèn)題，你應(yīng)該總是在你的條件鎖里面使用一個(gè)斷言。該斷言是一個(gè)更好的方法來(lái)確定是否安全讓你的線程處理。條件簡(jiǎn)單的讓你的線程保持休眠直到斷言被發(fā)送信號(hào)的線程設(shè)置了。

以下部分介紹了如何在你的代碼中使用條件。

7.1 使用NSCondition類

NSCondition類提供了和POSIX條件相同的語(yǔ)義，但是它把鎖和條件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝在一個(gè)單一對(duì)象里面。結(jié)果是一個(gè)你可以像互斥鎖那樣使用的對(duì)象，然后等待特定條件。

列表4-3顯示了一個(gè)代碼片段，它展示了為等待一個(gè)NSCondition對(duì)象的事件序列。cocaoCondition變量包含了一個(gè)NSCondition對(duì)象，而timeToDoWork變量是一個(gè)整形，它在其他線程里面發(fā)送條件信號(hào)時(shí)立即遞增。

Listing 4-3  Using a Cocoa condition

[cocoaCondition lock]; 
while (timeToDoWork <= 0) 
    [cocoaCondition wait]; 
  
timeToDoWork--; 
  
// Do real work here. 
  
[cocoaCondition unlock]; 

列表4-4顯示了用于給Cocoa條件發(fā)送信號(hào)的代碼，并遞增他斷言變量。你應(yīng)該在給它發(fā)送信號(hào)前鎖住條件。

Listing 4-4  Signaling a Cocoa condition

[cocoaCondition lock]; 
timeToDoWork++; 
[cocoaCondition signal]; 
[cocoaCondition unlock]; 

7.2 使用POSIX條件

POSIX線程條件鎖要求同時(shí)使用條件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一個(gè)互斥鎖。經(jīng)管兩個(gè)鎖結(jié)構(gòu)是分開的，互斥鎖在運(yùn)行的時(shí)候和條件結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起。多線程等待某一信號(hào)應(yīng)該總是一起使用相同的互斥鎖和條件結(jié)構(gòu)。修改該成雙結(jié)構(gòu)將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

列表4-5顯示了基本初始化過(guò)程，條件和斷言的使用。在初始化之后，條件和互斥鎖，使用ready_to_go變量作為斷言等待線程進(jìn)入一個(gè)while循環(huán)。僅當(dāng)斷言被設(shè)置并且隨后的條件信號(hào)等待線程被喚醒和開始工作。

Listing 4-5  Using a POSIX condition

pthread_mutex_t mutex; 
pthread_cond_t condition; 
Boolean     ready_to_go = true; 
  
void MyCondInitFunction() 
{ 
    pthread_mutex_init(&mutex); 
    pthread_cond_init(&condition, NULL); 
} 
  
void MyWaitOnConditionFunction() 
{ 
    // Lock the mutex. 
    pthread_mutex_lock(&mutex); 
  
    // If the predicate is already set, then the while loop is bypassed; 
    // otherwise, the thread sleeps until the predicate is set. 
    while(ready_to_go == false) 
    { 
        pthread_cond_wait(&condition, &mutex); 
    } 
  
    // Do work. (The mutex should stay locked.) 
  
    // Reset the predicate and release the mutex. 
    ready_to_go = false; 
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
} 

信號(hào)線程負(fù)責(zé)設(shè)置斷言和發(fā)送信號(hào)給條件鎖。列表4-6顯示了實(shí)現(xiàn)該行為的代碼。在該例子中，條件被互斥鎖內(nèi)被發(fā)送信號(hào)來(lái)防止等待條件的線程間發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)條件。

Listing 4-6  Signaling a condition lock

void SignalThreadUsingCondition() 
{ 
    // At this point, there should be work for the other thread to do. 
    pthread_mutex_lock(&mutex); 
    ready_to_go = true; 
  
    // Signal the other thread to begin work. 
    pthread_cond_signal(&condition); 
  
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
} 

注意：上述代碼是顯示使用POSIX線程條件函數(shù)的簡(jiǎn)單例子。你自己的代碼應(yīng)該檢測(cè)這些函數(shù)返回錯(cuò)誤碼并恰當(dāng)?shù)奶幚硭鼈儭?/p>