iOS面试题与核心基础之线程同步(锁,串行队列,信号量,@synchronized)

iOS多线程锁有两类 自旋锁 和 互斥锁
自旋锁与互斥锁比较类似,它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。资源已经被占用,资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁,"自旋"一词就是因此而得名。

具体有哪些锁

1. OSSpinLock

OSSpinLock叫做”自旋锁”,等待锁的线程会处于忙等(busy-wait)状态,一直占用着CPU资源
目前已经不再安全,可能会出现优先级反转问题,iOS10开始弃用。
如果等待锁的线程优先级较高,它会一直占用着CPU资源,优先级低的线程就无法释放锁
需要导入头文件#import <libkern/OSAtomic.h>

   var moneyLock: OSSpinLock = OS_SPINLOCK_INIT
    var ticketLock: OSSpinLock = OS_SPINLOCK_INIT
    
    override func drawMoney() {
        OSSpinLockLock(&moneyLock)
        super.drawMoney()
        OSSpinLockUnlock(&moneyLock)
    }
    
    override func saveMoney() {
        OSSpinLockLock(&moneyLock)
        super.saveMoney()
        OSSpinLockUnlock(&moneyLock)
    }
    
    override func saleOneTicket() {
        OSSpinLockLock(&ticketLock)
        super.saleOneTicket()
        OSSpinLockUnlock(&ticketLock)
    }
2. os_unfair_lock

os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ,从iOS10开始才支持
从底层调用看,等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态,并非忙等
需要导入头文件#import <os/lock.h>

   var moneyLock: os_unfair_lock = os_unfair_lock()
    var ticketLock: os_unfair_lock = os_unfair_lock()
    
    override func drawMoney() {
        os_unfair_lock_lock(&moneyLock)
        super.drawMoney()
        os_unfair_lock_unlock(&moneyLock)
    }
    
    override func saveMoney() {
        os_unfair_lock_lock(&moneyLock)
        super.saveMoney()
        os_unfair_lock_unlock(&moneyLock)
    }
    
    override func saleOneTicket() {
        os_unfair_lock_lock(&ticketLock)
        super.saleOneTicket()
        os_unfair_lock_unlock(&ticketLock)
    }
3. pthread_mutex
mutex叫做”互斥锁”,等待锁的线程会处于休眠状态
需要导入头文件#import <pthread.h>
  • 普通锁
    var ticketLockMutex: pthread_mutex_t = pthread_mutex_t()
    var moneyLockMutex: pthread_mutex_t = pthread_mutex_t()
    
    override init() {
        pthread_mutex_init(&ticketLockMutex, nil)
        pthread_mutex_init(&moneyLockMutex, nil)
    }
    
    override func drawMoney() {
        pthread_mutex_lock(&moneyLockMutex)
        super.drawMoney()
        pthread_mutex_unlock(&moneyLockMutex)
    }
    
    override func saveMoney() {
        pthread_mutex_lock(&moneyLockMutex)
        super.saveMoney()
        pthread_mutex_unlock(&moneyLockMutex)
    }
    
    override func saleOneTicket() {
        pthread_mutex_lock(&ticketLockMutex)
        super.saleOneTicket()
        pthread_mutex_unlock(&ticketLockMutex)
    }
    
    deinit {
        pthread_mutex_destroy(&ticketLockMutex)
        pthread_mutex_destroy(&moneyLockMutex)
    }
  • 递归锁
    var ticketLockMutex: pthread_mutex_t = pthread_mutex_t()
    var count = 0
    
    override init() {
        super.init()
        initMutex(&ticketLockMutex)
    }
    
    private func initMutex(_ mutex: inout pthread_mutex_t) {
        var attr: pthread_mutexattr_t = pthread_mutexattr_t()
        pthread_mutexattr_init(&attr)
        pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE)
        pthread_mutex_init(&mutex, &attr)
        pthread_mutexattr_destroy(&attr)
    }
    
    func otherTest() {
        pthread_mutex_lock(&ticketLockMutex);
        if count < 10 {
            count += 1
            otherTest()
        }
        print(count)
        pthread_mutex_unlock(&ticketLockMutex)
    }
    
    deinit {
        pthread_mutex_destroy(&ticketLockMutex)
    }

  • 条件锁
    var data: [String] = []
    
    var pThreadMutex: pthread_mutex_t = pthread_mutex_t()
    
    var pThreadCond: pthread_cond_t = pthread_cond_t()
    
    override init() {
        super.init()
        initMutex(&pThreadMutex)
    }
    
    private func initMutex(_ mutex: inout pthread_mutex_t) {
        var attr: pthread_mutexattr_t = pthread_mutexattr_t()
        pthread_mutexattr_init(&attr)
        pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE)
        pthread_mutex_init(&mutex, &attr)
        pthread_mutexattr_destroy(&attr)
        pthread_cond_init(&pThreadCond, nil)
    }

    func otherTest() {
        Thread(target: self, selector: #selector(remove), object: nil).start()
        Thread(target: self, selector: #selector(add), object: nil).start()
    }
    
    @objc private func remove() {
        pthread_mutex_lock(&pThreadMutex);
        print("remove begin")
        if data.count == 0 {
            pthread_cond_wait(&pThreadCond, &pThreadMutex)
        }
        data.removeLast()
        print("remove end")
        pthread_mutex_unlock(&pThreadMutex)
    }
    
    @objc private func add() {
        pthread_mutex_lock(&pThreadMutex);
        sleep(1)
        print("add begin")
        data.append("Test")
        print("add end")
       
        pthread_cond_signal(&pThreadCond)
        pthread_mutex_unlock(&pThreadMutex)
    }
    
    deinit {
        pthread_mutex_destroy(&pThreadMutex)
        pthread_cond_destroy(&pThreadCond)
    }
4. NSLock是对mutex普通锁的封装
    var ticketLock: NSLock = NSLock()
    var moneyLock: NSLock = NSLock()
    
    override func drawMoney() {
        moneyLock.lock()
        super.drawMoney()
        moneyLock.unlock()
    }
    
    override func saveMoney() {
        moneyLock.lock()
        super.saveMoney()
        moneyLock.unlock()
    }
    
    override func saleOneTicket() {
        ticketLock.lock()
        super.saleOneTicket()
        ticketLock.unlock()
    }

5. NSRecursiveLock也是对mutex递归锁的封装,API跟NSLock基本一致
    var ticketLockMutex = NSRecursiveLock()
    
    var count = 0
    
    override init() {
        super.init()
    }
    
    func otherTest() {
        ticketLockMutex.lock()
        if count < 10 {
            count += 1
            otherTest()
        }
        print(count)
        ticketLockMutex.unlock()
    }

串行队列

直接使用GCD的串行队列,也是可以实现线程同步的

    var ticketQueue  = DispatchQueue(label: "ticketQueue")
    var moneyQueue = DispatchQueue(label: "moneyQueue")
    
    override func drawMoney() {
        ticketQueue.async {
            super.drawMoney()
        }
    }
    
    override func saveMoney() {
        ticketQueue.async {
            super.saveMoney()
        }
    }
    
    override func saleOneTicket() {
        ticketQueue.async {
            super.saleOneTicket()
        }
    }

semaphore: 信号量

信号量的初始值,可以用来控制线程并发访问的最大数量
信号量的初始值为1,代表同时只允许1条线程访问资源,保证线程同步

    var semaphore = DispatchSemaphore(value: 5)
    var ticketSemaphore = DispatchSemaphore(value: 1)
    var moneySemaphore = DispatchSemaphore(value: 1)
    
    override func drawMoney() {
        moneySemaphore.wait()
        super.drawMoney()
        moneySemaphore.signal()
    }
    
    override func saveMoney() {
        moneySemaphore.wait()
        super.saveMoney()
        moneySemaphore.signal()
    }
    
    override func saleOneTicket() {
        ticketSemaphore.wait()
        super.saleOneTicket()
        ticketSemaphore.signal()
    }
    
    func otherTest() {
        for _ in 0..<20 {
            Thread(target: self, selector: #selector(test), object: nil).start()
        }
    }
    
    @objc private func test() {
        // 如果信号量的值 > 0,就让信号量的值减1,然后继续往下执行代码
        // 如果信号量的值 <= 0,就会休眠等待,直到信号量的值变成>0,就让信号量的值减1,然后继续往下执行代码
        _ = semaphore.wait(wallTimeout: DispatchWallTime.distantFuture)
        sleep(2)
        print(Thread.current)
        
        semaphore.signal()
    }
  1. @synchronized是对mutex递归锁的封装
    源码查看:objc4中的objc-sync.mm文件
    @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁,然后进行加锁、解锁操作
// Objective-C
@synchronized(obj){
    //TODO:
}
// Swift等价实现
func synchronized(_ lock: AnyObject, closure: () -> Void) {
    objc_sync_enter(lock)
    defer { objc_sync_exit(lock) }
    closure()
}

拓展

atomic

用于保证属性setter、getter的原子性操作,相当于在getter和setter内部加了线程同步的锁
可以参考源码objc4的objc-accessors.mm
它并不能保证使用属性的过程是线程安全的, 多个线程仍然可以同时读写访问。
平常属性都不建议使用,getter和setter调用比较频繁,大量使用的话很消耗性能

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