iOS 锁上 synchronized

iOS中有哪些锁呢?

OSSpinLock,dispatch_semaphore_t,os_unfair_lock,pthread_mutex_t,NSLock,NSCondition,pthread_mutext_t(recursive),NSRecursiveLock,NSConditionLock,@synchronized 等等,这么多的锁在开发中要如何选择呢?

各个锁的性能

首先我们通过代码来看看锁的性能

int kc_runTimes = 100000;
    /** OSSpinLock 性能 */
    {
        OSSpinLock kc_spinlock = OS_SPINLOCK_INIT;
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            OSSpinLockLock(&kc_spinlock);          //解锁
            OSSpinLockUnlock(&kc_spinlock);
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"OSSpinLock: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }
    
    /** dispatch_semaphore_t 性能 */
    {
        dispatch_semaphore_t kc_sem = dispatch_semaphore_create(1);
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            dispatch_semaphore_wait(kc_sem, DISPATCH_TIME_FOREVER);
            dispatch_semaphore_signal(kc_sem);
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"dispatch_semaphore_t: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }
    
    /** os_unfair_lock_lock 性能 */
    {
        os_unfair_lock kc_unfairlock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            os_unfair_lock_lock(&kc_unfairlock);
            os_unfair_lock_unlock(&kc_unfairlock);
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"os_unfair_lock_lock: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }
    
    
    /** pthread_mutex_t 性能 */
    {
        pthread_mutex_t kc_metext = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
      
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            pthread_mutex_lock(&kc_metext);
            pthread_mutex_unlock(&kc_metext);
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"pthread_mutex_t: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }
    
    
    /** NSlock 性能 */
    {
        NSLock *kc_lock = [NSLock new];
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            [kc_lock lock];
            [kc_lock unlock];
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"NSlock: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }
    
    /** NSCondition 性能 */
    {
        NSCondition *kc_condition = [NSCondition new];
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            [kc_condition lock];
            [kc_condition unlock];
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"NSCondition: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }

    /** PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 性能 */
    {
        pthread_mutex_t kc_metext_recurive;
        pthread_mutexattr_t attr;
        pthread_mutexattr_init (&attr);
        pthread_mutexattr_settype (&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
        pthread_mutex_init (&kc_metext_recurive, &attr);
        
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            pthread_mutex_lock(&kc_metext_recurive);
            pthread_mutex_unlock(&kc_metext_recurive);
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }
    
    /** NSRecursiveLock 性能 */
    {
        NSRecursiveLock *kc_recursiveLock = [NSRecursiveLock new];
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            [kc_recursiveLock lock];
            [kc_recursiveLock unlock];
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"NSRecursiveLock: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }
    

    /** NSConditionLock 性能 */
    {
        NSConditionLock *kc_conditionLock = [NSConditionLock new];
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            [kc_conditionLock lock];
            [kc_conditionLock unlock];
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"NSConditionLock: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }

    /** @synchronized 性能 */
    {
        double_t kc_beginTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent();
        for (int i=0 ; i < kc_runTimes; i++) {
            @synchronized(self) {}
        }
        double_t kc_endTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() ;
        HFLog(@"@synchronized: %f ms",(kc_endTime - kc_beginTime)*1000);
    }

代码逻辑很简单,就是循环10万次的加解锁,看看需要耗费的时间
真机iphoneXR运行结果:

OSSpinLock: 1.433015 ms
dispatch_semaphore_t: 2.267957 ms
os_unfair_lock_lock: 2.338052 ms
pthread_mutex_t: 2.584100 ms
NSlock: 2.802968 ms
NSCondition: 2.210975 ms
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE: 2.773046 ms
NSRecursiveLock: 3.018975 ms
NSConditionLock: 5.580902 ms
@synchronized: 9.202957 ms

真机iphone12 mini运行结果

OSSpinLock: 0.748038 ms
dispatch_semaphore_t: 1.023054 ms
os_unfair_lock_lock: 0.805020 ms
pthread_mutex_t: 0.934958 ms
NSlock: 1.582980 ms
NSCondition: 1.513004 ms
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE: 2.305984 ms
NSRecursiveLock: 2.532005 ms
NSConditionLock: 8.258939 ms
@synchronized: 3.880978 ms

可以看到@synchronized性能上优化了很多。

synchronized的使用

我们先来分析最常用的synchronized,我们知道synchronized既可以多线程操作也可以嵌套使用比如:

    @synchronized (self) {
        NSLog(@"2222222");
        @synchronized (self) {
            NSLog(@"333333");
            @synchronized (self) {
                NSLog(@"1111111");
            }
        }
    }
输出结果:
  2222222
  333333
  1111111

多线程并且嵌套
for (int i=0; i<10; i++) {
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
            @synchronized (self) {
                NSLog(@"----i:%d", i);
                @synchronized (self) {
                    NSLog(@"+++++++i:%d", i);
                }
            }
        });
    }
输出结果:
 ----i:0
+++++++i:0
----i:1
+++++++i:1
----i:2
+++++++i:2
----i:3
+++++++i:3
----i:4
+++++++i:4
----i:5
+++++++i:5
----i:6
+++++++i:6
----i:7
+++++++i:7
----i:8
+++++++i:8
----i:9
+++++++i:9

用起来似乎挺好用的,嵌套多线程都不会导致死锁,那我们来研究一下synchronized底层源码

synchronized源码分析

int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        // Setup code that might create autoreleased objects goes here.
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
        @synchronized (appDelegateClassName) {
            NSLog(@"1111111111");
        }
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

 xcrun -sdk iphonesimulator clang -rewrite-objc main.m

  {
        __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;        
       appDelegateClassName = NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("AppDelegate"), sel_registerName("class")));
        {
            id _rethrow = 0;
            id _sync_obj = (id)appDelegateClassName;
            objc_sync_enter(_sync_obj);
            try
            {
                struct _SYNC_EXIT
                {
                    _SYNC_EXIT(id arg) : sync_exit(arg){}
                    ~_SYNC_EXIT() {
                        objc_sync_exit(sync_exit);
                    }
                id sync_exit;
                } _sync_exit(_sync_obj);

                 NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_w3_866g87vs39x5nbg5g4xtzqxc0000gn_T_main_42da63_mi_0);
            }
            catch (id e) {_rethrow = e;}
            {
                struct _FIN { _FIN(id reth) : rethrow(reth) {}
                    ~_FIN() { if (rethrow) objc_exception_throw(rethrow); }
                    id rethrow;
                } _fin_force_rethow(_rethrow);
            }
        }

    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, __null, appDelegateClassName);

通过xcrun可以分析出synchronized实际就是objc_sync_enter(_sync_obj); objc_sync_exit(sync_exit);加锁,这样我们就可以通过符号断点到objc_sync_enter

image.png

符号断点到了libobjc.A.dylib objc_sync_enter:,这边objc_sync_enterlibobjc源码里面。
注意我们的目的:为什么能够嵌套加锁,为什么可以多线程加锁

int objc_sync_enter(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;

    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
        ASSERT(data);
        data->mutex.lock();
    } else {
        // @synchronized(nil) does nothing
        if (DebugNilSync) {
            _objc_inform("NIL SYNC DEBUG: @synchronized(nil); set a breakpoint on objc_sync_nil to debug");
        }
        objc_sync_nil();
    }

    return result;
}

int objc_sync_exit(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    
    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
        if (!data) {
            result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
        } else {
            bool okay = data->mutex.tryUnlock();
            if (!okay) {
                result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
            }
        }
    } else {
        // @synchronized(nil) does nothing
    }
    

    return result;
}

源码看起来并不多啊,但是注意到参数obj不能为nil否则会报错
源码里面首先获取了SyncData,然后data->mutex.lock,那这个SyncData是什么呢?先看看他的数据结构

typedef struct alignas(CacheLineSize) SyncData {
    struct SyncData* nextData;  // 跟指针一样指向下一个对象,所以这应该是一个链表
    DisguisedPtr<objc_object> object;  // 关联指针,关联着当前obj
    int32_t threadCount;  // number of THREADS using this block 记录线程数量
    recursive_mutex_t mutex; // 底层的嵌套锁,所以可以嵌套使用
} SyncData;

单纯的看这个结构体似乎了解了一些,接下来继续看看SyncData的生成SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);


     #define LOCK_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].lock
     #define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data
     static StripedMap<SyncList> sDataLists;
static SyncData* id2data(id object, enum usage why)
{
    spinlock_t *lockp = &LOCK_FOR_OBJ(object);
    SyncData **listp = &LIST_FOR_OBJ(object);
    SyncData* result = NULL;

#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
    // Check per-thread single-entry fast cache for matching object
    // 检查每线程单条目快速缓存中是否有匹配的对象
    bool fastCacheOccupied = NO;
    // TLS 是系统为线程单独提供的私有空间,这边返回的是当前线程绑定的SyncData
    SyncData *data = (SyncData *)tls_get_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY);
    if (data) {
        fastCacheOccupied = YES;

        if (data->object == object) {
            // Found a match in fast cache.
            uintptr_t lockCount;

            result = data;
            lockCount = (uintptr_t)tls_get_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY);
            if (result->threadCount <= 0  ||  lockCount <= 0) {
                _objc_fatal("id2data fastcache is buggy");
            }

            switch(why) {
            case ACQUIRE: {
                lockCount++;
                tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);
                break;
            }
            case RELEASE:
                lockCount--;
                tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);
                if (lockCount == 0) {
                    // remove from fast cache
                    tls_set_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY, NULL);
                    // atomic because may collide with concurrent ACQUIRE
                    OSAtomicDecrement32Barrier(&result->threadCount);
                }
                break;
            case CHECK:
                // do nothing
                break;
            }

            return result;
        }
    }
#endif

    // Check per-thread cache of already-owned locks for matching object
    // 检查已拥有锁的每个线程缓存中是否存在匹配的对象
    SyncCache *cache = fetch_cache(NO);
    if (cache) {
        unsigned int I;
        for (i = 0; i < cache->used; i++) {
            SyncCacheItem *item = &cache->list[I];
            if (item->data->object != object) continue;

            // Found a match.
            result = item->data;
            if (result->threadCount <= 0  ||  item->lockCount <= 0) {
                _objc_fatal("id2data cache is buggy");
            }
                
            switch(why) {
            case ACQUIRE:
                item->lockCount++;
                break;
            case RELEASE:
                item->lockCount--;
                if (item->lockCount == 0) {
                    // remove from per-thread cache
                    cache->list[i] = cache->list[--cache->used];
                    // atomic because may collide with concurrent ACQUIRE
                    OSAtomicDecrement32Barrier(&result->threadCount);
                }
                break;
            case CHECK:
                // do nothing
                break;
            }

            return result;
        }
    }

    // Thread cache didn't find anything.
    // Walk in-use list looking for matching object
    // Spinlock prevents multiple threads from creating multiple 
    // locks for the same new object.
    // We could keep the nodes in some hash table if we find that there are
    // more than 20 or so distinct locks active, but we don't do that now.
    
    lockp->lock();

    {
        SyncData* p;
        SyncData* firstUnused = NULL;
        for (p = *listp; p != NULL; p = p->nextData) {
            if ( p->object == object ) {
                result = p;
                // atomic because may collide with concurrent RELEASE
                OSAtomicIncrement32Barrier(&result->threadCount);
                goto done;
            }
            if ( (firstUnused == NULL) && (p->threadCount == 0) )
                firstUnused = p;
        }
    
        // no SyncData currently associated with object
        if ( (why == RELEASE) || (why == CHECK) )
            goto done;
    
        // an unused one was found, use it
        if ( firstUnused != NULL ) {
            result = firstUnused;
            result->object = (objc_object *)object;
            result->threadCount = 1;
            goto done;
        }
    }

    // Allocate a new SyncData and add to list.
    // XXX allocating memory with a global lock held is bad practice,
    // might be worth releasing the lock, allocating, and searching again.
    // But since we never free these guys we won't be stuck in allocation very often.
    // 创建SyncData,初始化数据,也就是第一次加锁时进来的代码逻辑
    posix_memalign((void **)&result, alignof(SyncData), sizeof(SyncData));
    result->object = (objc_object *)object;
    result->threadCount = 1;
    new (&result->mutex) recursive_mutex_t(fork_unsafe_lock);
    result->nextData = *listp;
    *listp = result;
    
 done:
    lockp->unlock();
    if (result) {
        // Only new ACQUIRE should get here.
        // All RELEASE and CHECK and recursive ACQUIRE are 
        // handled by the per-thread caches above.
        if (why == RELEASE) {
            // Probably some thread is incorrectly exiting 
            // while the object is held by another thread.
            return nil;
        }
        if (why != ACQUIRE) _objc_fatal("id2data is buggy");
        if (result->object != object) _objc_fatal("id2data is buggy");

#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
        if (!fastCacheOccupied) {
            // Save in fast thread cache
            tls_set_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY, result);
            tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)1);
        } else 
#endif
        {
            // Save in thread cache
            if (!cache) cache = fetch_cache(YES);
            cache->list[cache->used].data = result;
            cache->list[cache->used].lockCount = 1;
            cache->used++;
        }
    }

    return result;
}

代码量有点多我们先折叠一下,看看整体注释

image.png

注意:done里面的代码,这边生成的 result会根据条件将result存储在线程的独立空间tlscache,方便下一次取出来做判断,而if(data)if(cache)里面的代码内容一模一样
函数一开始从static StripedMap<SyncList> sDataLists;哈希表里面取出lockp和listp两个字段,而后面生成的SyncData存放在listp指针,说明数据结构是哈希表,而Syncdata又是一个链表,所以整体结构是哈希链表
接下来我们通过示例来调试研究看看

首先是相同对象的嵌套
    @synchronized (obj) {
            NSLog(@"bbbbbb");
                @synchronized (obj) {
                    NSLog(@"aaaaaa");
                }
        }

调试objc_sync_enter,第一次代码进入到id2data时创建了SyncData对象,并将对象存储在TLS线程独立空间里面和哈希表里,第二次进来时通过tls_get_direct获取到了SyncData,而SyncData里面的objcet跟当前的object一样,所以直接进入到if (data)逻辑里面的case ACQUIRE,lockCount++

不同对象的嵌套
    @synchronized (obj) {
            NSLog(@"bbbbbb");
                @synchronized (p) {
                    NSLog(@"aaaaaa");
                }
        }

调试objc_sync_enter,第一次代码进入到id2data时创建了SyncData对象,并将对象存储在TLS线程独立空间里面和哈希表里,第二次进来时listp为空,tls_get_direct获取到了SyncData=NULL,所以会创建SyncData对象,并且通过listp挂到哈希表里。

多线程相同对象
@synchronized (obj) {
            NSLog(@"bbbbbb");
            dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
                @synchronized (obj) {
                    NSLog(@"aaaaaa");
                }
            });
        }

调试objc_sync_enter,第一次代码进入到id2data时创建了SyncData对象,并将对象存储在TLS线程独立空间里面和哈希表里,第二次进来时因为对象是一样的所以listp有值,但是tls_get_direct取到的值为空(线程不一样),所以直接来到for (p = *listp; p != NULL; p = p->nextData)链表遍历,进而对threadCount++
这样我们大致可以了解整个锁的结构

image.png

总结:
整体结构是一个哈希链表,通过对obj的哈希来存放SyncData,
两种存储方式TLS/Cache
第一次加锁时,创建SyncData, 标记threadcount=1
后面在进来,会判断是否是同一个对象,
如果是同一个对象同一个线程TLS->lock++
如果是同一个对象不同线程TLS找不到SyncData,threadCount++
如果是不同对象同一个线程 创建一个新的SyncData,插入到obj哈希对应链表位置
解锁:lock--; threadCount--

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