iOS防止数据竞争

本文主要引自iOS开发中的11种锁以及性能对比
数据竞争的定义很简单：当至少有两个线程同时访问同一个变量，而且至少其中有一个是写操作时，就发生了数据竞争。所以这是就要利用一些同步机制来确保数据的准确性，锁就是同步机制中的一种。
怎么检测项目中的数据竞争？


只需要在设置中勾选Thread Sanitizer即可，顺便可以勾选Pause on issues就可以断点到相应的代码。

简单的性能测试

下图是原文作者针对iOS中的锁自己测试得出的，图中数字代表每次加解锁需要消耗的时间，单位为ns。代码在这里

图片.png

  • 注：运行手机： iphone6s plus ，系统版本：11.2.2，Xcode9.2；数字的单位为ns（得出的具体数值是跑了多次取的均值）。
    值得注意的是：1.这个数字仅仅代表每次加解锁的耗时，并不能全方面的代表性能。2.不同的机型和系统，不同的循环次数可能结果会略微有些差异。
    但是还是可以看出@synchronized:是表现最差的。

在具体说这些锁之前，先来说几个概念定义：

  • 临界区：指的是一块对公共资源进行访问的代码，并非一种机制或是算法。
  • 自旋锁：是用于多线程同步的一种锁，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显式释放自旋锁。 自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的。
  • 互斥锁（Mutex）：是一种用于多线程编程中，防止两条线程同时对同一公共资源（比如全局变量）进行读写的机制。该目的通过将代码切片成一个一个的临界区而达成。
  • 读写锁：是计算机程序的并发控制的一种同步机制，也称“共享-互斥锁”、多读者-单写者锁) 用于解决多线程对公共资源读写问题。读操作可并发重入，写操作是互斥的。 读写锁通常用互斥锁、条件变量、信号量实现。
  • 信号量（semaphore）：是一种更高级的同步机制，互斥锁可以说是semaphore在仅取值0/1时的特例。信号量可以有更多的取值空间，用来实现更加复杂的同步，而不单单是线程间互斥。
  • 条件锁：就是条件变量，当进程的某些资源要求不满足时就进入休眠，也就是锁住了。当资源被分配到了，条件锁打开，进程继续运行。

iOS开发中用到的锁

  • 互斥锁

1.NSLock：

是Foundation框架中以对象形式暴露给开发者的一种锁，NSLock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 API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

@end

tryLock 和 lock 方法都会请求加锁，唯一不同的是trylock在没有获得锁的时候可以继续做一些任务和处理。lockBeforeDate方法也比较简单，就是在limit时间点之前获得锁，没有拿到返回NO。
实际项目中：NSLock在AFNetworking的AFURLSessionManager.m中应用如下：

- (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：

实际项目中：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：

实际项目中：AFNetworking中 isNetworkActivityOccurring属性的getter方法

- (BOOL)isNetworkActivityOccurring {
    @synchronized(self) {
        return self.activityCount > 0;
    }
}

关于 @synchronized推荐扩展阅读 关于 @synchronized，这儿比你想知道的还要多

自旋锁

1.OSSpinLock：

OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
OSSpinLockLock(&lock);
...
OSSpinLockUnlock(&lock);

上面是OSSpinLock使用方式，编译会报警告，已经废弃了，OSSpinLock大家也已经不再用它了，因为它在某一些场景下已经不安全了，可以参考 YY大神的不再安全的 OSSpinLock，在Protocol Buffers项目中你可以看到这样的注释，大家已经用新的方案替换了。

 // 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

os_unfair_lock:(互斥锁)
os_unfair_lock 是苹果官方推荐的替换OSSpinLock的方案，但是它在iOS10.0以上的系统才可以调用。os_unfair_lock是一种互斥锁，它不会向自旋锁那样忙等，而是等待线程会休眠。

os_unfair_lock_t unfairLock;
unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
os_unfair_lock_lock(unfairLock);
os_unfair_lock_unlock(unfairLock);

读写锁

上文有说到，读写锁又称共享-互斥锁，
pthread_rwlock：

//加读锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
//解锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
//加写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
//解锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

递归锁

递归锁有一个特点，就是同一个线程可以加锁N次而不会引发死锁。
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锁也支持递归，只需要设置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);

条件锁

1. NSCondition:
定义：

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

- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;

遵循NSLocking协议，使用的时候同样是lock,unlock加解锁，wait是傻等，waitUntilDate:方法是等一会，都会阻塞掉线程，signal是唤起一个在等待的线程，broadcast是广播全部唤起。

NSCondition *lock = [[NSCondition alloc] init];
//Son 线程
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线程
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:
定义：

@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;

很简单，方法很清晰，基本同上。

信号量

dispatch_semaphore:
dispatch_semaphore在YYKit中的YYThreadSafeArray.m有所应用，YY大神有这样一句注释：

@discussion Generally, access performance is lower than NSMutableArray, 
 but higher than using @synchronized, NSLock, or pthread_mutex_t.

#define LOCK(...) dispatch_semaphore_wait(_lock, DISPATCH_TIME_FOREVER); \
__VA_ARGS__; \
dispatch_semaphore_signal(_lock);
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