iOS开发基础——线程安全（进程锁）

锁

锁：是保证线程安全常见的同步工具,防止Data race(数据竞争)的发生。

pthread_mutex

pthread_mutexattr_t attr;  
pthread_mutexattr_init(&attr);  
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);  // 定义锁的属性

pthread_mutex_t mutex;  
pthread_mutex_init(&mutex, &attr) // 创建锁
pthread_mutex_lock(&mutex); // 申请锁  
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放锁  
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其中，锁的属性包含一下四种：

PTHREAD_MUTEX_NORMAL:默认值普通锁，当一个线程加锁以后，其他线程进入按照优先顺序进入等待队列，并且解锁的时候按照先入先出的方式获得锁。
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK:检错锁，当同一个线程获得同一个锁的时候，则返回EDEADLK，否则与普通锁处理一样。
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE:递归锁。这里有别于上面的检错锁，同一个线程可以递归获得锁，但是加锁和解锁必须要一一对应。
PTHREAD_MUTEX_DEFAULT:适应锁，等待解锁之后重新竞争，没有等待队列。
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信号量

dispatch_semaphore_create(long value)
dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout)
dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema)

实例代码：

- (void)semaphoreSync {
    NSLog(@"semaphore---begin");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
    //创建初始信号量 为 0 ，阻塞所有线程
    dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(0);
    __block int number = 0;
    dispatch_async(queue, ^{
        // 追加任务A
        [NSThread sleepForTimeInterval:2];              // 模拟耗时操作
        NSLog(@"1---%@",[NSThread currentThread]);      // 打印当前线程
        number = 100;
        // 执行完线程，信号量加 1，信号总量从 0 变为 1
        dispatch_semaphore_signal(semaphore);
    });
    //原任务B
    ////若计数为0则一直等待，直到接到总信号量变为 >0 ，继续执行后续代码
    dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    NSLog(@"semaphore---end,number = %d",number);
}
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互斥锁

互斥锁的实现原理与信号量非常相似，不是使用忙等，而是阻塞线程并睡眠，需要进行上下文切换。

当一个线程获得这个锁之后，其他想要获得此锁的线程将会被阻塞，直到该锁被释放。

当临界区加上互斥锁以后，其他的调用方不能获得锁，只有当互斥锁的持有方释放锁之后其他调用方才能获得锁。

调用方在获得锁的时候发现互斥锁已经被其他方持有，那么该调用方只能进入睡眠状态，这样不会占用CPU资源。但是会有时间的消耗，系统的运行时基于CPU时间调度的，每次线程可能有100ms的运行时间，频繁的CPU切换也会消耗一定的时间。

NSLock：

NSLock遵循NSLocking协议，同时也是互斥锁，提供了 lock 和 unlock 方法来进行加锁和解锁。 NSLock内部是封装了 pthread_mutext ，类型是 PTHREAD_MUTEXT_ERRORCHECK ，它会损失一定的性能换来错误提示。

- (void)lock;  
- (void)unlock; 
- (BOOL)tryLock;  
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;  
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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，没有拿到锁就返回NO。

@synchronized:

这其实是一个 OC 层面的锁，防止不同的线程同时执行同一段代码,相比于使用 NSLock 创建锁对象、加锁和解锁来说， @synchronized 用着更方便，可读性更高。

大体上，想要明白 @synchronized ，需要知道在 @synchronized 中 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 的成对调用，而且每个传入的对象，都会为其分配一个递归锁并存储在哈希表中。在 objc_sync_enter 中加锁，在 objc_sync_exit 中解锁。

具体可以参考这篇文章： 关于 @synchronized，这儿比你想知道的还要多

@synchronized(self) {  
    //数据操作  
}
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自旋锁

自旋锁的目的是为了确保临界区只有一个线程可以访问。

当一个线程获得锁之后，其他线程将会一直循环在哪里查看是否该锁被释放，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。

由于调用方会一直循环看该自旋锁的的保持者是否已经释放了资源，所以总的效率来说比互斥锁高。但是自旋锁只用于短时间的资源访问，如果不能短时间内获得锁，就会一直占用着CPU，造成效率低下。

OSSpinLock:

自旋锁的一种，由于在某些场景下不安全已被弃用。 需导入头文件 #import <libkern/OSAtomic.h>

OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;  
OSSpinLockLock(&lock);  
OSSpinLockUnlock(&lock);
OSSpinLockTry(&lock);
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自旋锁存在优先级反转问题， OSSpinLock 是自旋锁，也正是由于它是自旋锁，所以容易发生优先级反转的问题。在ibireme的文章中已经写到，当一个低优先级线程获得锁的时候，如果此时一个高优先级的系统到来，那么会进入忙等状态，不会进入睡眠，此时会一直占用着系统CPU时间，导致低优先级的无法拿到CPU时间片，从而无法完成任务也无法释放锁。除非能保证访问锁的线程全部处于同一优先级，否则系统所有的自旋锁都会出现优先级反转的问题。现在苹果的 OSSpinLock 已经被替换成

os_unfair_lock 
typedef int32_t OSSpinLock OSSPINLOCK_DEPRECATED_REPLACE_WITH(os_unfair_lock);
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os_unfair_lock:

os_unfair_lock 是苹果官方推荐的替换 OSSpinLock 的方案，用于解决 OSSpinLock 优先级反转问题，但是它在iOS10.0以上的系统才可以调用。

导入头文件 #import< os/lock.h >

os_unfair_lock_t unfairLock;  
unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);  
os_unfair_lock_lock(unfairLock);  
os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
os_unfair_lock_trylock(unfairLock);
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递归锁

需要使用递归锁的情况：

NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
    static void (^RecursiveLock)(int);
    RecursiveLock = ^(int value) {
        [lock lock];
        if (value > 0) {
            NSLog(@"value = %d", value);
            sleep(2);
            RecursiveLock(value - 1);
        }
        [lock unlock];
    };
    RecursiveLock(5);
});
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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。所有每次进入这个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，所有它需要等待锁被解除，这样就导致了死锁，线程被阻塞住了。导致crach

*** -[NSLock lock]: deadlock ( '(null)')   *** Break on _NSLockError() to debug.
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NSRecursiveLock

NSRecursiveLock *lock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
[lock lockBeforeDate:date];
[lock tryLock];

条件锁

NSCondition

封装了一个互斥锁和信号量，它把前者的 lock 以及后者的 wait / signal 统一到 NSCondition 对象中，是基于条件变量 pthread_cond_t 来实现的，和信号量相似，如果当前线程不满足条件，那么就会进入睡眠状态，等待其他线程释放锁或者释放信号之后，就会唤醒线程。

NSCondition 的对象实际上作为一个锁和一个线程检查器：锁主要为了当检测条件时保护数据源，执行条件引发的任务；线程检查器主要是根据条件决定是否继续运行线程，即线程是否被阻塞。

• NSCondition 同样实现了 NSLocking 协议，所以它和 NSLock 一样，也有NSLocking协议的 lock 和 unlock 方法，可以当做 NSLock 来使用解决线程同步问题，用法完全一样。
• NSCondition 提供了 wait 和 signal ，和条件信号量类似。比如我们要监听array数组的个数，当array的个数大于0的时候就执行清空操作。思路是这样的，当array个数大于0时执行清空操作，否则， wait 等待执行清空操作。当array个数增加的时候发生 signal 信号，让等待的线程唤醒继续执行。

  NSCondition *lock = [[NSCondition alloc] init];
  NSMutableArray *array = [[NSMutableArray alloc] init];
  //消费者
  dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      [lock lock];
      while (!array.count) {
          [lock wait];
      }
      [array removeAllObjects];
      [lock unlock];
  });
  //生产者
  dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
      sleep(1);//以保证让线程2的代码后执行
      [lock lock];
      [array addObject:@1];
      [lock signal];
      [lock unlock];
  });
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• NSCondition 可以给每个线程分别加锁，加锁后不影响其他线程进入临界区。但是正是因为这种分别加锁的方式，NSCondition使用wait并使用加锁后并不能真正的解决资源的竞争。例如：

  不能让m<0。假设当前m=0,线程A要判断到m>0为假,执行等待；线程B执行了m=1操作，并唤醒线程A执行m-1操作的同时线程C判断到m>0，因为他们在不同的线程锁里面，同样判断为真也执行了m-1，这个时候线程A和线程C都会执行m-1,但是m=1，结果就会造成m=-1.

NSCoditionLock

NSConditionLock也可以像NSCondition一样做多线程之间的任务等待调用，而且是线程安全的。

NSConditionLock同样实现了NSLocking协议，性能比较低。

NSConditonLock 内部持有了一个 NSCondition 对象和 _condition_value 属性，当调用

- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition

初始化的时候会传入一个 condition 参数，该参数会赋值 _condition_value 属性

常用方法：

• lock 不分条件，如果锁没被申请，直接执行代码
• lockBeforeDate: 在指定时间前尝试加锁，返回 bool
• lockWhenCondition: 满足特定条件 Condition ，加锁执行相应代码
• lockWhenCondition: beforeDate: 和上条相同，增加时间戳
• tryLock 尝试着加锁，返回 bool
• tryLockWhenCondition: ，满足特定条件 Condition ，尝试着加锁，返回 bool
• unlock 不会清空条件，之后满足条件的锁还会执行
• unlockWithCondition: 设置解锁条件(同一时刻只有一个条件，如果已经设置条件，相当于修改条件)

实例：

- (void)executeNSConditionLock {
    NSConditionLock* lock = [[NSConditionLock alloc] init];
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        for (NSUInteger i=0; i<3; i++) {
            sleep(2);
            if (i == 2) {
                [lock lock];
                [lock unlockWithCondition:i];
            }
        }
    });
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(1);
        [self threadMethodOfNSCoditionLock:lock];
    });
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
        sleep(1);
        [self threadMethodOfNSCoditionLock:lock];
    });
}
-(void)threadMethodOfNSCoditionLock:(NSConditionLock*)lock{
    [lock lockWhenCondition:2];
    [lock unlock];
}
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读写锁

读写锁，在对文件进行操作的时候，写操作是排他的，一旦有多个线程对同一个文件进行写操作，后果不可估量，但读是可以的，多个线程读取时没有问题的。

pthread_rwlock

注意：

• 如果自己已经获取了读锁，再去加写锁，会出现死锁的

// 初始化
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
//获取一个读出锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwptr); 
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwptr);
//获取一个写入锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwptr); 
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwptr);

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwptr); //释放一个写入锁或者读出锁


//读写锁属性：
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwptr, const pthread_rwlockattr_t *attr)
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwptr);

int pthread_rwlockattr_init(pthread_rwlockattr_t *attr);
int pthread_rwlockattr_destroy(pthread_rwlockattr_t *attr);

int pthread_rwlockattr_getpshared(const pthread_rwlockattr_t *attr, int *valptr);
int pthread_rwlockattr_setpshared(pthread_rwlockattr_t *attr, int valptr);
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实例：

// 初始化
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER
// 读模式
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写模式
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读模式或者写模式的解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self readBookWithTag:1];
});
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self readBookWithTag:2];
});
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self writeBook:3];
});
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self writeBook:4];
});
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self readBookWithTag:5];
});
- (void)readBookWithTag:(NSInteger )tag {
    pthread_rwlock_rdlock(&rwLock);
    self.path = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"1" ofType:@".doc"];
    self.contentString = [NSString stringWithContentsOfFile:self.path encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
    pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
}
- (void)writeBook:(NSInteger)tag {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwLock);
    [self.contentString writeToFile:self.path atomically:YES encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
    pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
}
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