iOS 保证线程同步方式 & 性能对比

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iOS 保证线程同步方式 & 性能对比

##背景
IOS中保持线程同步的常用技术：

  • @synchronized
  • NSLock
  • NSRecursiveLock
  • dispatch_semaphore
  • NSCondition
  • pthread_mutex
  • OSSpinLock。
    他们的实现机制各不相同，性能也各不一样。而我们平时用的最多的@synchronized是性能最差的。

    本人开发时候，第一选择为NSRecursiveLock.

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。

介绍与使用

###@synchronized

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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：
2016-07-23 09:40:24.051 ThreadTest[13438:385647] 需要线程同步的操作1 开始
2016-07-23 09:40:27.054 ThreadTest[13438:385647] 需要线程同步的操作1 结束
2016-07-23 09:40:27.054 ThreadTest[13438:385646] 需要线程同步的操作2

##dispatch_semaphore

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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：
    2016-07-23 09:53:00.898 ThreadTest[13507:391586] 需要线程同步的操作 1 开始
    2016-07-23 09:53:02.903 ThreadTest[13507:391586] 需要线程同步的操作 1 结束
    2016-07-23 09:53:02.904 ThreadTest[13507:391578] 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：
    2016-07-23 09:54:04.499 ThreadTest[13518:392236] 需要线程同步的操作 1 开始
    2016-07-23 09:54:06.002 ThreadTest[13518:392247] 需要线程同步的操作 2
    2016-07-23 09:54:06.505 ThreadTest[13518:392236] 需要线程同步的操作 1 结束

##NSLock

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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：
2016-07-23 10:01:06.165 ThreadTest[13541:394814] 需要线程同步的操作 1 开始
2016-07-23 10:01:07.169 ThreadTest[13541:394804] 锁不可用的操作
2016-07-23 10:01:08.168 ThreadTest[13541:394814] 需要线程同步的操作 1 结束
2016-07-23 10:01:08.168 ThreadTest[13541:394804] 没有超时，获得锁
源码定义如下：

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@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

##NSRecursiveLock递归锁

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//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); 
});

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。如果使用NSLock，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：
2016-07-23 10:09:50.932 ThreadTest[13568:398209] value = 5
2016-07-23 10:09:51.933 ThreadTest[13568:398209] -[NSLock lock]: deadlock (<NSLock: 0x7ff58a60b190> ‘(null)’)
2016-07-23 10:09:51.934 ThreadTest[13568:398209] 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。
2016-07-23 10:13:08.465 ThreadTest[13593:400360] value = 5
2016-07-23 10:13:09.468 ThreadTest[13593:400360] value = 4
2016-07-23 10:13:10.472 ThreadTest[13593:400360] value = 3
2016-07-23 10:13:11.474 ThreadTest[13593:400360] value = 2
2016-07-23 10:13:12.478 ThreadTest[13593:400360] value = 1
如果需要其他功能，源码定义如下：

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@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

##NSConditionLock条件锁

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NSConditionLock *lock = [[NSConditionLock alloc] init];
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：
2016-07-23 10:30:00.764 ThreadTest[13645:406942] wait for product
2016-07-23 10:30:00.764 ThreadTest[13645:406951] produce a product, 总量 :1
2016-07-23 10:30:00.765 ThreadTest[13645:406942] custome a product
2016-07-23 10:30:00.765 ThreadTest[13645:406942] wait for product
2016-07-23 10:30:01.767 ThreadTest[13645:406951] produce a product, 总量:1
2016-07-23 10:30:01.767 ThreadTest[13645:406942] custome a product
如果你需要其他功能，源码定义如下：

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@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

##NSCondition

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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：
2016-07-23 10:37:46.943 ThreadTest[13693:409659] wait for product
2016-07-23 10:37:46.944 ThreadTest[13693:409667] produce a product, 总量 :1
2016-07-23 10:37:46.944 ThreadTest[13693:409659] custome a product
2016-07-23 10:37:46.945 ThreadTest[13693:409659] wait for product
2016-07-23 10:37:47.947 ThreadTest[13693:409667] produce a product, 总量 :1
2016-07-23 10:37:47.947 ThreadTest[13693:409659] custome a product

##pthread_mutex

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__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：
2016-07-23 10:45:05.864 ThreadTest[13725:412938] 需要线程同步的操作 1 开始
2016-07-23 10:45:08.867 ThreadTest[13725:412938] 需要线程同步的操作 1 结束
2016-07-23 10:45:08.867 ThreadTest[13725:412931] 需要线程同步的操作 2

pthread_mutex(recursive)

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__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(&theLock, &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。

##OSSpinLock

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__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。

#性能对比
对以上各个锁进行1000000次的加锁解锁的空操作时间如下：

方法 1000000消耗时间
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。
使用NSRecursiveLock，可以避免死锁，同时性能也不错，建议代码中使用。

---------Thanks for your attention---------
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