首先看一下問題引出,先看一些經典的問題.

多執行緒的隱患

首先我們利用多執行緒的話肯定是好處多多,因為我們可以同時去做一些事情,大大的提高了效率.像我們下載視頻的時候就可以同時下載多個視頻,這樣是節省了很多時間,用戶體驗也會更好.但是用得時候也會存在一些安全隱患,比如同一塊資源可能會被多個執行緒共享,也就是多個執行緒可能會訪問同一塊資源,這樣會出現一些資料錯亂和資料安全的問題.下面我們就看一些例子.

存錢取錢案例

比如我現在有1000元,同時有2個執行緒去處理,一個執行緒是取錢100元,一個執行緒是存錢100元,我制作了一張示意圖如下:

存錢取錢示意圖

我們從上面的圖應該很清楚,存100、取100的最終結果就是還是剩余1000元,但是看我們上面的示意圖,最終結果要么是900要么是1100,這就與1000的結果對不上,所以很明顯用多執行緒是會存在隱患,下面我們用代碼演示一下上面的結果:

賣票案例

這個和上面的稍微有點差別,因為上面的是2個操作,而賣票呢,它是1個操作.同樣的比如我現在有1000張票,同時有2個執行緒去處理賣票,一個執行緒是一個執行緒賣票100張,另一個執行緒也是賣票100張,同時操作的話,也會出現例外,我制作了一張示意圖如下:

我們同樣的也可以用代碼演示一下效果:

上面的兩個,大家可以試試.接下來針對上面的問題,我們就引出了今天的主角,執行緒同步技術

執行緒同步技術

解決方案:使用執行緒同步技術 (同步,就是協同步調,按照預定的先后次序進行運行),我們先來看下執行緒同步技術有哪些方案:執行緒同步方案最常見的技術就是:加鎖.大概方案如下(大致這么多方案,當然還有其他的)

OSSpinLock (自旋鎖)

os_unfair_lock (互斥鎖)

pthread_mutex (互斥鎖、遞回鎖)(里面3種型別,目前只說2種對我們有用的)

dispatch_queue (DISPATCH_QUEUE_SERIAL)

NSLock

NSRecursiveLock

NSCondition

NSConditionLock

@synchronized

以上的這些都是可以做到執行緒同步方案,我會一個一個介紹,并且介紹它們的優缺點,性能怎么樣,我們怎么去選擇等等.我們就以上面的例子講解.

OSSpinLock (自旋鎖)

OSSpinLock 叫做 "自旋鎖", 等待鎖的狀態會處于忙等( busy-wait )狀態,一直占用著CPU記憶體.頭檔案匯入<libkern/OSAtomic.h>,而且這個鎖是過期鎖,iOS10以后就過期了,但是我們還是來看看,因為面試中可能會遇到,用法如下:

初始化鎖:OSSpinLock spinLock = OS_SPINLOCK_INIT;

加鎖: OSSpinLockLock(&_spinLock);

解鎖:OSSpinLockLock(&_spinLock);

我們先看賣票:

我是加鎖和解鎖了,為什么上面的代碼還有問題,有發現原因的嗎?這是因為SpinLock是區域變數,所以我們進去都是初始化了一把新鎖,這把鎖并沒有被使用過,是達不到加鎖的目的.所以所有的執行緒都是用同一把鎖才能達到加鎖的目的.請看下面代碼:

確實是剩下85張,沒有問題.原理是這樣,每次執行saleTicket都會進入 //加鎖: OSSpinLockLock(&_SpinLock) 這個代碼,第一次進來是正常給_SpinLock加鎖,第二次進來的時候,發現_SpinLock已經被人加了鎖,它會在這邊等待,等待這把鎖被解鎖,解鎖完了以后然后它再去加鎖,就這樣依次進行,就保證了里面的那段代碼同時只有一個執行緒在處理.這就解決了執行緒同步的問題.

接下來我們就看存錢和取錢的問題.存錢、取錢是2個操作,我們是用同一把鎖還是2把鎖?思考了這個問題我們就知道怎么做了,因為存錢和取錢是不能同時進行,所以我們就用同一把鎖即可(2把鎖是有問題的大家可以自己試試),請看下面的代碼,我們驗證一下:

自旋鎖"忙等"狀態是怎么等呢?忙等就是一直忙碌,而且還在等待,類似這樣while(鎖還沒有解開),就會一直執行,占用cpu,直到鎖被放開.而且OSSpinLock是已經過期了,而且目前已經不再安全,可能會出現優先級反轉的問題.

下面說一下執行緒的調度問題

其實你看上面的圖,如果隨著時間的推移,作業系統把時間給thread1一點時間,再給thread2一點時間,再給thread3一點時間,而且這個時間周期非常短,就這樣一直非常快的切換,這樣下來給我們的感覺就是同時執行.這就是實作多執行緒的一個方案.也就是多執行緒的原理,我們也可以說這是時間片輪轉調度演算法.呼叫行程或者執行緒都是用這套演算法

還有個就是執行緒的優先級問題,比如thread1的優先級比較高,那么作業系統就會給thread1多一點時間去執行.其他的執行緒就少一點時間去執行.這樣的話,我們使用自旋鎖就會存在一個優先級反轉的問題.比如thread1優先級非常高,thread2優先級很低.首先是thread2先進去加鎖,thread1再進來就會等thread2解鎖,由于thread1的優先級非常高,CPU就把大量的時間給了thread1,此時可能導致thread2沒有時間執行解鎖,thread1就會一直執行等待,有點死鎖的感覺.

這樣大家想一想:如果優先級高的不是忙等,而是休眠,休息就不會占用CPU,那不就是解決了這個問題.

os_unfair_lock (互斥鎖)

os_unfair_lock用于取代不安全OSSpinLock,是從iOS10開始支持.

從底層呼叫看,等待os_unfair_lock鎖的執行緒會處于休眠狀態,并非忙等(后面會證明一下)

它的用法和OSSpinLock非常像,需要倒入頭檔案<os/lock.h>,用法如下:

初始化鎖:os_unfair_lock unfairLock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;

加鎖: os_unfair_lock_lock(&_unfairLock);

解鎖:os_unfair_lock_unlock(&_unfairLock);

下面我們就去看一下用法

存錢和取錢也是一樣的道理,我們可以自己試試.

pthread_mutex (互斥鎖)

像這種pthread開頭的一般都是跨平臺的Windows、linux等等都是可以用的,mutex叫做"互斥鎖",等待鎖的執行緒會處于休眠狀態

其實用法都是差不多,我們先來看下怎么用,這個稍微代碼多一點點

//初始化屬性

pthread_mutexattr_t attr;

pthread_mutexattr_init(&attr);

pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);

//初始化鎖

pthread_mutex_init(&_mutex, &attr);(&attr也可以傳NULL,這樣的話,上面的都是默認的,上面可以都不用寫)

//加鎖

pthread_mutex_lock(&_mutex);

//解鎖

pthread_mutex_unlock(&_mutex);

//銷毀相關資源

pthread_mutexattr_destroy(&attr);

pthread_mutex_destroy(&_mutex);

其中PTHREAD_MUTEX_NORMAL是鎖的型別,后面會細說,先傳默認PTHREAD_MUTEX_NORMAL

先看運行結果:

沒有問題,記得銷毀哈,之前說的2個鎖,沒有提供銷毀的方法,那我們就不寫,如果提供了,我們還是寫一下的好!

pthread_mutex (遞回鎖)

我們再看另一種情況,請看下面的代碼:

上面這些代碼會出現什么情況?死鎖,會出現相互等待的情況,只會輸出第一個NSLog,遇到這種情況我們怎么解決才好呢?2把不同的鎖即可解決問題,就是otherMutexTest里面一把鎖,otherMutexTest2里面另一把鎖就可以解決了,這個我就不截圖了,我們可以自己試試

再看下面另一種情況:出現遞回怎么辦?如下圖

遇到上面的這種情況我們又怎么處理,如果就像截圖那樣的話,就會出現休眠等待.如果我們想執行下去,我們就是可以設定鎖的型別來解決這個問題:一共3種型別如下

我們只要把鎖的型別換成遞回鎖,立刻就能解決這個問題,我們加一個遞回停止條件,不然會一直運行

還有一個注意的,這個允許重復加鎖,一定是在同一個執行緒,如果是多個執行緒的話,就不行.遞回鎖:允許同一個執行緒對一把鎖重復加鎖.

自旋鎖、互斥鎖匯編分析

自旋鎖:一直忙等,占用CPU記憶體,一直在執行代碼;互斥鎖:不等待,休眠.不執行代碼.我們怎么去證明這個問題呢?我們可以從匯編實作上去證明這個問題,我們先看OSSpinLock自旋鎖:

首先我們如果用這個上面的來除錯的話,是看不出來什么效果的,因為這里面都是一大段一大段匯編代碼執行的,我們需要一句一句的執行匯編指令.就需要敲si,s是step的意思,代碼一行一行的執行,如果只用s的話,就是一行oc代碼執行,一行oc對應可能一大段匯編,所以我們還需要加i,i是instruction的意思是一行一行匯編指令執行,簡稱si. 還有個是nexti,它也是一行一行匯編指令執行,只是nexti它是遇到函式就會一下執行過去.因為我們要看函式實作,所以我們用si.

我們再看一下,我代碼是怎么寫的:

我是創建了10個執行緒去執行賣票,而且在賣票中間sleep(100),這樣是為了,第一條執行緒進去,我們不管,我們主要看第二條執行緒在這等待的時間,到底做了什么事.所以我們主要看第二條的匯編代碼.sleep(100)是為了時間長點,方便我們能看出做什么事.如果時間太短,直接第二條執行緒就不等待,那我們就看不到效果,請看下面的結果

從上面的結果看,進入OSSpinLockLock函式,它會一直在81aef那里一直回圈執行,這是外回圈,我們所說的自旋鎖就是這樣,一直回圈執行,占用CPU記憶體.一旦有人放開這把鎖就會條件回圈結束,不會再執行回圈.

接下來我們看看互斥鎖pthread_mutex

查找的方法和上面的一樣,我就截圖最關鍵的圖即可,請看下面:

執行到最后,直接是callsys,呼叫系統的方法,是不是類似我之前說的runloop里面的休眠的方法,而且我們知道休眠是任何事情都不會做,不占用CPU記憶體,所以我們最后看到,我的模擬器立刻又彈出來了,說明確實是睡眠,不占用任何CPU記憶體.

os_unfair_lock_lock我們可以用上面的方法嘗試,它的結果也是互斥鎖.

由于鎖內容較多,我會在接下來的博客繼續介紹

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