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iOS中保证线程安全的几种方式与性能对比

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景铭巴巴
2016.07.02 16:18* 字数 3121

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 = [[NSLock alloc] init];
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        //[lock lock];
        [lock lockBeforeDate:[NSDate date]];
            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 = [[NSDate alloc] 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:

@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 NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

@end

2.4、NSRecursiveLock递归锁

    //NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
    NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        
        static void (^RecursiveMethod)(int);
        
        RecursiveMethod = ^(int value) {
            
            [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 (<NSLock: 0x7fd811d28810> '(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:

@interface NSRecursiveLock : NSObject <NSLocking> {
@private
    void *_priv;
}

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

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

@end

2.5、NSConditionLock条件锁

    NSMutableArray *products = [NSMutableArray array];
    
    NSInteger HAS_DATA = 1;
    NSInteger NO_DATA = 0;
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        while (1) {
            [lock lockWhenCondition:NO_DATA];
            [products addObject:[[NSObject alloc] 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:

@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;

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

@end

2.6、NSCondition

    NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init];
    
    NSMutableArray *products = [NSMutableArray array];
    
    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:[[NSObject alloc] 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_t attr);
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)

    __block pthread_mutex_t theLock;
    //pthread_mutex_init(&theLock, NULL);
    
    pthread_mutexattr_t attr;
    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), ^{
        
        static void (^RecursiveMethod)(int);
        
        RecursiveMethod = ^(int value) {
            
            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。

四、联系方式

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