在日常開發過程中，為了提升程序運行效率，以及用戶體驗，我們經常使用多線程。在使用多線程的過程中，難免會遇到資源競爭問題。我們采用鎖的機制來確保線程安全。
線程安全
當一個線程訪問數據的時候，其他的線程不能對其進行訪問，直到該線程訪問完畢。即，同一時刻，對同一個數據操作的線程只有一個。只有確保了這樣，才能使數據不會被其他線程污染。而線程不安全，則是在同一時刻可以有多個線程對該數據進行訪問，從而得不到預期的結果。
比如寫文件和讀文件，當一個線程在寫文件的時候，理論上來說，如果這個時候另一個線程來直接讀取的話，那么得到將是不可預期的結果。
為了線程安全，我們可以使用鎖的機制來確保，同一時刻只有同一個線程來對同一個數據源進行訪問。在開發過程中我們通常使用以下幾種鎖。
- NSLock
- NSRecursiveLock
- NSCondition
- NSConditionLock
- pthread_mutex
- pthread_rwlock
- POSIX Conditions
- OSSpinLock
- os_unfair_lock
- dispatch_semaphore
- @synchronized
信號量
在多線程環境下用來確保代碼不會被并發調用。在進入一段代碼前，必須獲得一個信號量，在結束代碼前，必須釋放該信號量，其他想要想要執行該代碼的線程必須等待直到前者釋放了該信號量。
以一個停車場的運作為例。簡單起見，假設停車場只有三個車位，一開始三個車位都是空的。這時如果同時來了五輛車，看門人允許其中三輛直接進入，然后放下車攔，剩下的車則必須在入口等待，此后來的車也都不得不在入口處等待。這時，有一輛車離開停車場，看門人得知后，打開車攔，放入外面的一輛進去，如果又離開兩輛，則又可以放入兩輛，如此往復。
在這個停車場系統中，車位是公共資源，每輛車好比一個線程，看門人起的就是信號量的作用。
互斥鎖
一種用來防止多個線程同一時刻對共享資源進行訪問的信號量，它的原子性確保了如果一個線程鎖定了一個互斥量，將沒有其他線程在同一時間可以鎖定這個互斥量。它的唯一性確保了只有它解鎖了這個互斥量，其他線程才可以對其進行鎖定。當一個線程鎖定一個資源的時候，其他對該資源進行訪問的線程將會被掛起，直到該線程解鎖了互斥量，其他線程才會被喚醒，進一步才能鎖定該資源進行操作。
NSLock
NSLock實現了最基本的互斥鎖，遵循了 NSLocking 協議，通過 lock 和 unlock 來進行鎖定和解鎖。其使用也非常簡單
- (void)doSomething {
[self.lock lock];
//TODO: do your stuff
[self.lock unlock];
}
由于是互斥鎖，當一個線程進行訪問的時候，該線程獲得鎖，其他線程進行訪問的時候，將被操作系統掛起，直到該線程釋放鎖，其他線程才能對其進行訪問，從而卻確保了線程安全。但是如果連續鎖定兩次，則會造成死鎖問題。那如果想在遞歸中使用鎖，那要怎么辦呢，這就用到了 NSRecursiveLock 遞歸鎖。
NSRecursiveLock
遞歸鎖，顧名思義，可以被一個線程多次獲得，而不會引起死鎖。它記錄了成功獲得鎖的次數，每一次成功的獲得鎖，必須有一個配套的釋放鎖和其對應，這樣才不會引起死鎖。只有當所有的鎖被釋放之后，其他線程才可以獲得鎖
NSRecursiveLock *theLock = [[NSRecursiveLock alloc] init];
void MyRecursiveFunction(int value)
{
[theLock lock];
if (value != 0)
{
--value;
MyRecursiveFunction(value);
}
[theLock unlock];
}
MyRecursiveFunction(5);
NSCondition
NSCondition 是一種特殊類型的鎖，通過它可以實現不同線程的調度。一個線程被某一個條件所阻塞，直到另一個線程滿足該條件從而發送信號給該線程使得該線程可以正確的執行。比如說，你可以開啟一個線程下載圖片，一個線程處理圖片。這樣的話，需要處理圖片的線程由于沒有圖片會阻塞，當下載線程下載完成之后，則滿足了需要處理圖片的線程的需求，這樣可以給定一個信號，讓處理圖片的線程恢復運行。
- (void)download {
[self.condition lock];
//TODO: 下載文件代碼
if (donloadFinish) { // 下載結束后，給另一個線程發送信號，喚起另一個處理程序
[self.condition signal];
[self.condition unlock];
}
}
- (void)doStuffWithDownloadPicture {
[self.condition lock];
while (!donloadFinish) {
[self.condition wait];
}
//TODO: 處理圖片代碼
[self.condition unlock];
}
NSConditionLock
NSConditionLock 對象所定義的互斥鎖可以在使得在某個條件下進行鎖定和解鎖。它和 NSCondition 很像，但實現方式是不同的。
當兩個線程需要特定順序執行的時候，例如生產者消費者模型，則可以使用 NSConditionLock 。當生產者執行執行的時候，消費者可以通過特定的條件獲得鎖，當生產者完成執行的時候，它將解鎖該鎖，然后把鎖的條件設置成喚醒消費者線程的條件。鎖定和解鎖的調用可以隨意組合，lock 和 unlockWithCondition: 配合使用 lockWhenCondition: 和 unlock 配合使用。
- (void)producer {
while (YES) {
[self.conditionLock lock];
NSLog(@"have something");
self.count++;
[self.conditionLock unlockWithCondition:1];
}
}
- (void)consumer {
while (YES) {
[self.conditionLock lockWhenCondition:1];
NSLog(@"use something");
self.count--;
[self.conditionLock unlockWithCondition:0];
}
}
當生產者釋放鎖的時候，把條件設置成了1。這樣消費者可以獲得該鎖，進而執行程序，如果消費者獲得鎖的條件和生產者釋放鎖時給定的條件不一致，則消費者永遠無法獲得鎖，也不能執行程序。同樣，如果消費者釋放鎖給定的條件和生產者獲得鎖給定的條件不一致的話，則生產者也無法獲得鎖，程序也不能執行。
pthread_mutex
POSIX 互斥鎖是一種超級易用的互斥鎖，使用的時候，只需要初始化一個 pthread_mutex_t 用 pthread_mutex_lock 來鎖定 pthread_mutex_unlock 來解鎖，當使用完成后，記得調用 pthread_mutex_destroy 來銷毀鎖。
pthread_mutex_init(&lock,NULL);
pthread_mutex_lock(&lock);
//do your stuff
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_mutex_destroy(&lock);
pthread_rwlock
讀寫鎖，在對文件進行操作的時候，寫操作是排他的，一旦有多個線程對同一個文件進行寫操作，后果不可估量，但讀是可以的，多個線程讀取時沒有問題的。
- 當讀寫鎖被一個線程以讀模式占用的時候，寫操作的其他線程會被阻塞，讀操作的其他線程還可以繼續進行。
- 當讀寫鎖被一個線程以寫模式占用的時候，寫操作的其他線程會被阻塞，讀操作的其他線程也被阻塞。
// 初始化
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER
// 讀模式
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 寫模式
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 讀模式或者寫模式的解鎖
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);
NSLog(@"start read ---- %ld",tag);
self.path = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"1" ofType:@".doc"];
self.contentString = [NSString stringWithContentsOfFile:self.path encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
NSLog(@"end read ---- %ld",tag);
pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
}
- (void)writeBook:(NSInteger)tag {
pthread_rwlock_wrlock(&rwLock);
NSLog(@"start wirte ---- %ld",tag);
[self.contentString writeToFile:self.path atomically:YES encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
NSLog(@"end wirte ---- %ld",tag);
pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
}
start read ---- 1
start read ---- 2
end read ---- 1
end read ---- 2
start wirte ---- 3
end wirte ---- 3
start wirte ---- 4
end wirte ---- 4
start read ---- 5
end read ---- 5
POSIX Conditions
POSIX 條件鎖需要互斥鎖和條件兩項來實現，雖然看起來沒什么關系，但在運行時中，互斥鎖將會與條件結合起來。線程將被一個互斥和條件結合的信號來喚醒。
首先初始化條件和互斥鎖，當 ready_to_go 為 flase 的時候，進入循環，然后線程將會被掛起，直到另一個線程將 ready_to_go 設置為 true 的時候，并且發送信號的時候，該線程會才被喚醒。
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t condition;
Boolean ready_to_go = true;
void MyCondInitFunction()
{
pthread_mutex_init(&mutex);
pthread_cond_init(&condition, NULL);
}
void MyWaitOnConditionFunction()
{
// Lock the mutex.
pthread_mutex_lock(&mutex);
// If the predicate is already set, then the while loop is bypassed;
// otherwise, the thread sleeps until the predicate is set.
while(ready_to_go == false)
{
pthread_cond_wait(&condition, &mutex);
}
// Do work. (The mutex should stay locked.)
// Reset the predicate and release the mutex.
ready_to_go = false;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void SignalThreadUsingCondition()
{
// At this point, there should be work for the other thread to do.
pthread_mutex_lock(&mutex);
ready_to_go = true;
// Signal the other thread to begin work.
pthread_cond_signal(&condition);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
OSSpinLock
自旋鎖，和互斥鎖類似，都是為了保證線程安全的鎖。但二者的區別是不一樣的，對于互斥鎖，當一個線程獲得這個鎖之后，其他想要獲得此鎖的線程將會被阻塞，直到該鎖被釋放。但自選鎖不一樣，當一個線程獲得鎖之后，其他線程將會一直循環在哪里查看是否該鎖被釋放。所以，此鎖比較適用于鎖的持有者保存時間較短的情況下。
// 初始化
spinLock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 加鎖
OSSpinLockLock(&spinLock);
// 解鎖
OSSpinLockUnlock(&spinLock);
然而，YYKit 作者 @ibireme 的文章也有說這個自旋鎖存在優先級反轉問題，具體文章可以戳 不再安全的 OSSpinLock。
os_unfair_lock
自旋鎖已經不在安全，然后蘋果又整出來個 os_unfair_lock_t (╯‵□′)╯︵┻━┻
這個鎖解決了優先級反轉問題。
os_unfair_lock_t unfairLock;
unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
os_unfair_lock_lock(unfairLock);
os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
dispatch_semaphore
信號量機制實現鎖，等待信號，和發送信號，正如前邊所說的看門人一樣，當有多個線程進行訪問的時候，只要有一個獲得了信號，其他線程的就必須等待該信號釋放。
- (void)semphone:(NSInteger)tag {
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_NOW);
// do your stuff
dispatch_semaphore_signal(semaphore);
}
@synchronized
一個便捷的創建互斥鎖的方式，它做了其他互斥鎖所做的所有的事情。
- (void)myMethod:(id)anObj
{
@synchronized(anObj)
{
// Everything between the braces is protected by the @synchronized directive.
}
}
如果你在不同的線程中傳過去的是一樣的標識符，先獲得鎖的會鎖定代碼塊，另一個線程將被阻塞，如果傳遞的是不同的標識符，則不會造成線程阻塞。
總結
應當針對不同的操作使用不同的鎖，而不能一概而論那種鎖的加鎖解鎖速度快。
- 當進行文件讀寫的時候，使用
pthread_rwlock較好，文件讀寫通常會消耗大量資源，而使用互斥鎖同時讀文件的時候會阻塞其他讀文件線程，而pthread_rwlock不會。 - 當性能要求較高時候，可以使用
pthread_mutex或者dispath_semaphore，由于OSSpinLock不能很好的保證線程安全，而在只有在iOS10中才有os_unfair_lock，所以，前兩個是比較好的選擇。既可以保證速度，又可以保證線程安全。 - 對于 NSLock 及其子類，速度來說
NSLock<NSCondition<NSRecursiveLock<NSConditionLock。
引用
1.Threading Programming Guide
2.百度百科-線程安全
3.百度百科-信號量
4.百度百科-互斥鎖
5.不再安全的 OSSpinLock
