深入详解Objective-C中的@Synchronized关键字

正文

在多线程编程中,线程之间共享资源时容易出现数据竞争的问题,导致程序出现不可预期的结果。为了避免这种情况,我们需要采用一些同步机制来保证线程之间的安全协作。 @synchronized指令是Objective-C中一种常用的同步机制。

@synchronized指令是Objective-C中一种非常简单方便的创建锁的方式。相比于其他锁,它的语法更加简单,只需要使用任意一个Objective-C对象作为锁标记即可。

- (void)myMethod:(id)anObj {
 @synchronized(anObj) {
 // Everything between the braces is protected by the @synchronized directive.
 }
}

@synchronized指令中传递的对象是用于区分受保护代码块的唯一标识符。如果在两个不同的线程中执行上述方法,分别为anObj参数传递不同的对象,那么每个线程都会获取自己的锁并继续处理,而不会被另一个线程阻塞。但是,如果在这两种情况下都传递相同的对象,则其中一个线程会首先获取锁,另一个线程则会被阻塞,直到第一个线程完成操作。

@Synchronized的底层实现

通过clang查看底层编译代码可知, @Synchronized是通过objc_sync_enter和objc_sync_exit函数来实现锁的获取和释放的,源码如下:

int objc_sync_enter(id obj)
{
 int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
 if (obj) {
 SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
 ASSERT(data);
 data->mutex.lock();
 } else {
 // @synchronized(nil) does nothing
 if (DebugNilSync) {
 _objc_inform("NIL SYNC DEBUG: @synchronized(nil); set a breakpoint on objc_sync_nil to debug");
 }
 objc_sync_nil();
 }
 return result;
}
int objc_sync_exit(id obj)
{
 int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
 if (obj) {
 SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
 if (!data) {
 result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
 } else {
 bool okay = data->mutex.tryUnlock();
 if (!okay) {
 result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
 }
 }
 } else {
 // @synchronized(nil) does nothing
 }
 return result;
}
  • 如果传入的obj存在,则走加锁流程;如果obj为nil,则什么也不做。
  • objc_sync_exit和objc_sync_enter是对应的;objc_sync_exit方法就是解锁,如果obj= nil则什么也不做;

通过观察源码可知,objc_sync_exit和objc_sync_enter里的关键是从obj转换到SyncData,然后通过SyncData中的mutex来对临界区上锁。SyncData结构体的定义如下:

typedef struct alignas(CacheLineSize) SyncData {
 struct SyncData* nextData;
 DisguisedPtr<objc_object> object;
 int32_t threadCount; // number of THREADS using this block
 recursive_mutex_t mutex;
} SyncData;
  • mutex是递归锁,这也是为什么可以在 @Synchronized里嵌套 @Synchronized的原因了。

从obj转换到SyncData的具体实现如下:

这段代码实现了一个锁的缓存机制,目的是为了提高多线程访问同一对象时的效率。当多个线程同时访问同一对象时,每个线程需要获取一个锁,这会造成性能瓶颈。为了避免这个问题,缓存机制会将已经获取的锁缓存起来,以供下次使用。其大致流程如下:

1、首先检查是否启用了快速缓存,如果启用则在快速缓存中查找是否有与obj对应的SyncData对象。

2、如果在快速缓存中找到了匹配的SyncData对象,则将syncLockCount加1,并返回结果。

3、如果没有在快速缓存中找到匹配的SyncData对象,则继续在线程缓存中查找是否有与obj对应的锁。

4、如果在线程缓存中找到了匹配的锁,则将对应锁的计数加1,并将其返回结果。

5、如果没有在线程缓存中找到匹配的锁,则在全局的哈希表中查找是否有与obj对应的SyncData对象。

6、如果在全局的哈希表中找到了匹配的SyncData对象,则会进行多线程操作,将对应锁的计数加1,并返回结果。

7、如果没有在全局的哈希表中找到匹配的SyncData对象,则创建新对象,并将新对象添加到上述的缓存中,以供下次使用。

badcase分析

#import "ViewController.h"
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, strong) NSMutableArray *testArray;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
 [super viewDidLoad];
 // Do any additional setup after loading the view.
 self.testArray = @[].mutableCopy;
 for (NSUInteger i = 0; i < 5000; i++) {
 dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
 [self testThreadArray];
 });
 }
}
- (void)testThreadArray {
 @synchronized (self.testArray) {
 self.testArray = @[].mutableCopy;
 }
}
@end

运行这段代码,会出现如下crash:

考虑这个场景,有三个线程A、B、C同时访问一个非原子属性self.testArray,初始值为p0。线程A和线程B由于访问的self.testArray的值一致,产生了竞争,线程A获取了锁并将self.testArray的值重新设置为p1,然后释放了锁。此时线程C访问self.testArray,发现其值为p1,没有竞争,准备对其进行赋值操作。然而,此时线程B由于之前的锁已经被释放,进入代码块,也准备对self.testArray进行赋值操作,这会导致两个线程同时对非原子属性self.testArray进行赋值操作,从而产生crash。

作者:iOS学习社区

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