iOS開(kāi)發(fā)中的11種鎖以及性能對(duì)比
在平時(shí)開(kāi)發(fā)中我們經(jīng)常會(huì)使用多線程，多線程為我們帶來(lái)了很大便利，也提高了程序的執(zhí)行效率，但同時(shí)也帶來(lái)了Data race，Data race的定義很簡(jiǎn)單：當(dāng)至少有兩個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)變量，而且至少其中有一個(gè)是寫操作時(shí)，就發(fā)生了Data race。所以這是就要利用一些同步機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，鎖就是同步機(jī)制中的一種。
怎么檢測(cè)項(xiàng)目中的Data race?
只需要在設(shè)置中勾選Thread Sanitizer 即可，順便可以勾選Pause on issues 就可以斷點(diǎn)到相應(yīng)的代碼。
下面就進(jìn)入正題簡(jiǎn)單聊一聊iOS中的鎖，以及相關(guān)的內(nèi)容(由于本人能力有限，文中難免有一些遺漏或者錯(cuò)誤，請(qǐng)各位看官不吝賜教!謝謝!)
簡(jiǎn)單的性能測(cè)試
下圖是我針對(duì)iOS中的鎖自己測(cè)試得出的，圖中數(shù)字代表每次加解鎖需要消耗的時(shí)間，單位為ns。代碼在這里，代碼參考自YY大神的不再安全的 OSSpinLock，基本跟YY大神的圖差不多??，YY大神的單位是μs，應(yīng)該是1000次的，或者寫錯(cuò)了吧~
LockPerformance.jpg
注：運(yùn)行手機(jī)： iphone6s plus ，系統(tǒng)版本：11.2.2，Xcode9.2;數(shù)字的單位為ns(得出的具體數(shù)值是跑了多次取的均值)。
值得注意的是：1.這個(gè)數(shù)字僅僅代表每次加解鎖的耗時(shí)，并不能全方面的代表性能。2.不同的機(jī)型和系統(tǒng)，不同的循環(huán)次數(shù)可能結(jié)果會(huì)略微有些差異。
但是還是可以看出@synchronized:是表現(xiàn)最差的。
在具體說(shuō)這些鎖之前，先來(lái)說(shuō)幾個(gè)概念定義：(參考維基百科)
- 臨界區(qū)：指的是一塊對(duì)公共資源進(jìn)行訪問(wèn)的代碼，并非一種機(jī)制或是算法。
- 自旋鎖：是用于多線程同步的一種鎖，線程反復(fù)檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過(guò)程中保持執(zhí)行，因此是一種忙等待。一旦獲取了自旋鎖，線程會(huì)一直保持該鎖，直至顯式釋放自旋鎖。 自旋鎖避免了進(jìn)程上下文的調(diào)度開(kāi)銷，因此對(duì)于線程只會(huì)阻塞很短時(shí)間的場(chǎng)合是有效的。
- 互斥鎖(Mutex)：是一種用于多線程編程中，防止兩條線程同時(shí)對(duì)同一公共資源(比如全局變量)進(jìn)行讀寫的機(jī)制。該目的通過(guò)將代碼切片成一個(gè)一個(gè)的臨界區(qū)而達(dá)成。
- 讀寫鎖：是計(jì)算機(jī)程序的并發(fā)控制的一種同步機(jī)制，也稱“共享-互斥鎖”、多讀者-單寫者鎖) 用于解決多線程對(duì)公共資源讀寫問(wèn)題。讀操作可并發(fā)重入，寫操作是互斥的。 讀寫鎖通常用互斥鎖、條件變量、信號(hào)量實(shí)現(xiàn)。
- 信號(hào)量(semaphore)：是一種更高級(jí)的同步機(jī)制，互斥鎖可以說(shuō)是semaphore在僅取值0/1時(shí)的特例。信號(hào)量可以有更多的取值空間，用來(lái)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的同步，而不單單是線程間互斥。
- 條件鎖：就是條件變量，當(dāng)進(jìn)程的某些資源要求不滿足時(shí)就進(jìn)入休眠，也就是鎖住了。當(dāng)資源被分配到了，條件鎖打開(kāi)，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。
互斥鎖
1.NSLock：是Foundation框架中以對(duì)象形式暴露給開(kāi)發(fā)者的一種鎖，(Foundation框架同時(shí)提供了NSConditionLock，NSRecursiveLock，NSCondition)NSLock定義如下：
- @protocol NSLocking
- - (void)lock;
- - (void)unlock;
- @end
- @interface NSLock : NSObject <nslocking> {
- @private
- void *_priv;
- }
- - (BOOL)tryLock;
- - (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- @property (nullable, copy) NSString *name API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
- @end</nslocking>
tryLock 和 lock 方法都會(huì)請(qǐng)求加鎖，唯一不同的是trylock在沒(méi)有獲得鎖的時(shí)候可以繼續(xù)做一些任務(wù)和處理。lockBeforeDate方法也比較簡(jiǎn)單，就是在limit時(shí)間點(diǎn)之前獲得鎖，沒(méi)有拿到返回NO。
實(shí)際項(xiàng)目中：NSLock在AFNetworking的AFURLSessionManager.m中應(yīng)用如下：
- - (instancetype)initWithSessionConfiguration:(NSURLSessionConfiguration *)configuration {
- ...
- self.lock = [[NSLock alloc] init];
- self.lock.name = AFURLSessionManagerLockName;
- ...
- }
- - (void)setDelegate:(AFURLSessionManagerTaskDelegate *)delegate
- forTask:(NSURLSessionTask *)task
- {
- ...
- [self.lock lock];
- self.mutableTaskDelegatesKeyedByTaskIdentifier[@(task.taskIdentifier)] = delegate;
- [delegate setupProgressForTask:task];
- [self addNotificationObserverForTask:task];
- [self.lock unlock];
- }
2.pthread_mutex：
實(shí)際項(xiàng)目中： 在YYKit的YYMemoryCach中可以看到
- - (instancetype)init {
- ...
- pthread_mutex_init(&_lock, NULL);
- ...
- }
- - (void)_trimToCost:(NSUInteger)costLimit {
- BOOL finish = NO;
- pthread_mutex_lock(&_lock);
- if (costLimit == 0) {
- [_lru removeAll];
- finish = YES;
- } else if (_lru->_totalCost <= costLimit) {
- finish = YES;
- }
- pthread_mutex_unlock(&_lock);
- if (finish) return;
- NSMutableArray *holder = [NSMutableArray new];
- while (!finish) {
- if (pthread_mutex_trylock(&_lock) == 0) {
- if (_lru->_totalCost > costLimit) {
- _YYLinkedMapNode *node = [_lru removeTailNode];
- if (node) [holder addObject:node];
- } else {
- finish = YES;
- }
- pthread_mutex_unlock(&_lock);
- } else {
- usleep(10 * 1000); //10 ms
- }
- }
- ...
- }
3.@synchronized:
實(shí)際項(xiàng)目中：AFNetworking中 isNetworkActivityOccurring屬性的getter方法
- - (BOOL)isNetworkActivityOccurring {
- @synchronized(self) {
- return self.activityCount > 0;
- }
- }
自旋鎖
1.OSSpinLock:
- OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
- OSSpinLockLock(&lock);
- ...
- OSSpinLockUnlock(&lock);
上面是OSSpinLock使用方式，編譯會(huì)報(bào)警告，已經(jīng)廢棄了，OSSpinLock大家也已經(jīng)不再用它了，因?yàn)樗谀骋恍﹫?chǎng)景下已經(jīng)不安全了，可以參考 YY大神的不再安全的 OSSpinLock，在Protocol Buffers項(xiàng)目中你可以看到這樣的注釋，大家已經(jīng)用新的方案替換了。
- // NOTE: OSSpinLock may seem like a good fit here but Apple engineers have
- // pointed out that they are vulnerable to live locking on iOS in cases of
- // priority inversion:
- // http://mjtsai.com/blog/2015/12/16/osspinlock-is-unsafe/
- // https://lists.swift.org/pipermail/swift-dev/Week-of-Mon-20151214/000372.html
2.os_unfair_lock:
os_unfair_lock 是蘋果官方推薦的替換OSSpinLock的方案，但是它在iOS10.0以上的系統(tǒng)才可以調(diào)用。
- os_unfair_lock_t unfairLock;
- unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
- os_unfair_lock_lock(unfairLock);
- os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
讀寫鎖
上文有說(shuō)到，讀寫鎖又稱共享-互斥鎖，
pthread_rwlock：
- //加讀鎖
- pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
- //解鎖
- pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
- //加寫鎖
- pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
- //解鎖
- pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
遞歸鎖
遞歸鎖有一個(gè)特點(diǎn)，就是同一個(gè)線程可以加鎖N次而不會(huì)引發(fā)死鎖。
1.NSRecursiveLock:
NSRecursiveLock在YYKit中YYWebImageOperation.m中有用到：
- _lock = [NSRecursiveLock new];
- - (void)dealloc {
- [_lock lock];
- ...
- ...
- [_lock unlock];
- }
2.pthread_mutex(recursive):
pthread_mutex鎖也支持遞歸，只需要設(shè)置PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE即可
- pthread_mutex_t lock;
- pthread_mutexattr_t attr;
- pthread_mutexattr_init(&attr);
- pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
- pthread_mutex_init(&lock, &attr);
- pthread_mutexattr_destroy(&attr);
- pthread_mutex_lock(&lock);
- pthread_mutex_unlock(&lock);
條件鎖
1. NSCondition:
定義：
- @interface NSCondition : NSObject <nslocking> {
- @private
- void *_priv;
- }
- - (void)wait;
- - (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- - (void)signal;
- - (void)broadcast;</nslocking>
遵循NSLocking協(xié)議，使用的時(shí)候同樣是lock,unlock加解鎖，wait是傻等，waitUntilDate:方法是等一會(huì)，都會(huì)阻塞掉線程，signal是喚起一個(gè)在等待的線程，broadcast是廣播全部喚起。
- NSCondition *lock = [[NSCondition alloc] init];
- //Son 線程
- dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
- [lock lock];
- while (No Money) {
- [lock wait];
- }
- NSLog(@"The money has been used up.");
- [lock unlock];
- });
- //Father線程
- dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
- [lock lock];
- NSLog(@"Work hard to make money.");
- [lock signal];
- [lock unlock];
- });
2.NSConditionLock:
定義：
- @interface NSConditionLock : NSObject <nslocking> {
- @private
- void *_priv;
- }
- - (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER;
- @property (readonly) NSInteger condition;
- - (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;</nslocking>
很簡(jiǎn)單，方法很清晰，基本同上。
信號(hào)量
dispatch_semaphore:
dispatch_semaphore在YYKit中的YYThreadSafeArray.m有所應(yīng)用，YY大神有這樣一句注釋：
- @discussion Generally, access performance is lower than NSMutableArray,
- but higher than using @synchronized, NSLock, or pthread_mutex_t.
- 3#define LOCK(...) dispatch_semaphore_wait(_lock, DISPATCH_TIME_FOREVER); \
- __VA_ARGS__; \
- dispatch_semaphore_signal(_lock);
總結(jié)：
其實(shí)本文寫的都是一些再基礎(chǔ)不過(guò)的內(nèi)容，在平時(shí)閱讀一些開(kāi)源項(xiàng)目的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇到一些保持線程同步的方式，因?yàn)閳?chǎng)景不同可能選型不同，這篇就做一下簡(jiǎn)單的記錄吧~我相信讀完這篇你應(yīng)該能根據(jù)不同場(chǎng)景選擇合適的鎖了吧、能夠道出自旋鎖和互斥鎖的區(qū)別了吧。
最后：
由于本人能力有限，文中難免有一些遺漏或者錯(cuò)誤，請(qǐng)各位看官不吝賜教!謝謝!同時(shí)有任何關(guān)于鎖相關(guān)的疑問(wèn)可以瘋狂留言，一起交流，一起進(jìn)步~?? 祝大家每天都能進(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)~
