iOS底层 - @synchronized（上）

2022-01-11 16:09:16 浏览数 (1)

前言

IOS中的锁是比较困扰大家的一个问题，知道有锁这么个东西，但是却不常用。今天带大家一起走进锁的底层世界。

准备工作

Objc-818.2

锁的类型

锁基本分为三种类型：自旋锁、互斥锁、读写锁

自旋锁

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，因此是一种忙等状态。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显示释放自旋锁。自旋锁避免了线程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短的场合是有效的。

自旋锁优缺点

  • 优点：自旋锁不会引起调用者的睡眠，避免了线程的调度开销，如果短时间内可以获得锁，那么优先使用自旋锁。
  • 缺点：自旋锁一直占用着cpu，在未获得锁的情况下会一直忙等，大大的降低了cpu的效率。这里也可以看出自旋锁不能进行递归使用。

自旋锁种类

常见的自旋锁种类

  • OSSpinLock
  • atomic

互斥锁

是一种多线程编程中，防止多条线程对同一公共资源（比如全局变量）进行读写机制。该目的是通过将代码切片成一个个临界区而达成。其实简单的说同一时刻保证有一条线程执行任务，其他线程会处在睡眠状态。

互斥锁优缺点

  • 优点：在调用被锁的资源时，调用者的线程会进行睡眠。cpu可以调度其他的线程工作。所以任务复杂的时间长的建议使用互斥锁。
  • 缺点：其实个人感觉也不算缺点，互斥锁就涉及到了线程的调度开销，如果任务时间很短，线程调度就会显得降低了cpu的效率。

互斥锁种类

常见的互斥锁种类

  • NSLock
  • pthread_mutex
  • @synchronized

读写锁

读写锁适合于对数据结构读的次数比写的次数多的多的情况。因为读模式锁定时可以共享，写模式锁定时意味着独占，所以多写锁有叫做共享-独占锁。

锁的性能数据

锁的种类很多种，但是每种锁的性能不一样。在选择的锁的过程尽量选择性能高的锁，下面根据LockPerformance 源码 得出锁的性能高低

模拟器性能测试如下：

模拟器的情况目前测试性能高低如下OSSpinLock(自旋锁) -> os_unfair_lock(互斥锁) ->dispatch_semaphore_t(信号量) -> pthread_mutex(互斥锁) -> NSLock(互斥锁) -> NSCondition(条件锁) -> pthread_mutex_recursive(互斥递归锁) -> NSRecursiveLock(递归锁) -> NSConditionLock(条件锁) -> synchronized(互斥锁)

iPhoneX真机（软件版本：13.7）

真机情况目前测试性能高低如下OSSpinLock(自旋锁) -> os_unfair_lock(互斥锁) -> dispatch_semaphore_t(信号量) -> NSCondition(条件锁) -> NSLock(互斥锁) -> pthread_mutex_t(互斥锁) -> pthread_mutex_recursive(互斥递归锁) -> NSRecursiveLock(递归锁) -> NSConditionLock(条件锁) -> @synchronized(互斥锁)

iPhoneX真机（软件版本：13.7）性能图

总结：

有些锁性能差距不是很大，每次运行数据可能会有些许的变化，但是整体性能变化不大。@synchronized的性能是最低的，这个是大家经常用的因为用起来简单方便。

在iPhone 12真机以后苹果对@synchronized性能进行了巨大的优化，现在没有iPhone 12真机，有的话后面会进行更新。

@synchronized

下面探究下大家经常用的一把锁@synchronized，大家喜欢用它是因为方便。

下面探究下@synchronized底层是如何实现的。

探究底层快速的方法是根据汇编走流程，还有可以通过clang查看底层编译代码

调试代码：

代码语言：javascript复制
int main(int argc, char * argv[]) {
    NSString * appDelegateClassName;
    @autoreleasepool {
        appDelegateClassName = NSStringFromClass([AppDelegate class]);
        @synchronized (appDelegateClassName) {

        }
    }
    return UIApplicationMain(argc, argv, nil, appDelegateClassName);
}

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第一种汇编调试

第二种通过clang查看底层代码编译

通过上面的两种方式核心的方法是objc_sync_enter和objc_sync_exit方法，下面就探究这两个方法。

在探究之前首先找到objc_sync_enter和objc_sync_exit方法是属于哪个源码库，给objc_sync_enter和objc_sync_exit下符号断点。

很明显示属于Objc源码库，其实从方法的名字也能猜测出来。

objc_sync_enter探究

在Objc源码库中全局搜索 objc_sync_enter ``

代码语言：javascript复制
int objc_sync_enter(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    //根据obj是否存在判断流程
    if (obj) {
        //获取底层封装的 SyncData
        SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
        ASSERT(data);
        data->mutex.lock();//加锁
    } 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;
}

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  • 首先判断obj是否为nil，注意obj是id类型，id是对象指针类型objc_object*
  • 如果obj有值走加锁的流程
  • 如果obj = nil根据注释@synchronized(nil) does nothing什么也不操作，里面调用了objc_sync_nil()方法

全局搜索objc_sync_nil()方法

代码语言：javascript复制
#   define BREAKPOINT_FUNCTION(prototype)                             
    OBJC_EXTERN __attribute__((noinline, used, visibility("hidden"))) 
    prototype { asm(""); }


 BREAKPOINT_FUNCTION(
    void objc_sync_nil(void)
);

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BREAKPOINT_FUNCTION 是一个宏定义void objc_sync_nil(void)是一个参数。

相当于 define BREAKPOINT_FUNCTION(prototype)中的prototype，而prototype的实现就是啥也没做，简单理解就是如果obj = nil相当于没加锁。

总结：

objc_sync_enter方法是加锁的过程，如果obj参数不为nil就走加锁流程，否则相当于没有加锁

objc_sync_exit探究

在Objc源码库中全局搜索 objc_sync_exit

代码语言：javascript复制
int objc_sync_exit(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    //根据obj是否存在判断流程
    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
        if (!data) {
            result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
        } else {
            bool okay = data->mutex.tryUnlock();//解锁
            if (!okay) {
                result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
            }
        }
    } else {
        //如果 obj = nil 什么也不做
        // @synchronized(nil) does nothing
    }


    return result;
}

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objc_sync_exit方法和objc_sync_enter方法是对应的。objc_sync_exit方法就是解锁功能，如果obj= nil 什么也不做

总结：

  • objc_sync_enter方法作用是任务开始时进行加锁操作，而objc_sync_exit方法作用是在任务结束时进行解锁操作。如果参数为nil相当于没有加锁解锁的作用，这就是@synchronized内部自己实现的加锁解锁功能
  • 在objc_sync_enter方法和objc_sync_exit方法都有id2data方法而且加锁解锁的功能也是通过id2data方法的返回值调用的。下面探究下id2data方法

id2data方法探究

整体流程梳理及数据结构分析

id2data方法源码比较多，先理一下整体流程，然后在对每一部分进行详细的探究

图中的整体流程如下：

  • 首先从tls（线程局部存储）中查找SyncData，如果查找到就走其相应的流程
  • 如果tls没有查找到就到线程缓存中去查找，如果缓存中有走缓存中的流程
  • 如果缓存中没有判断哈希表中是否存储对应的SyncData，如果SyncData存在就进行多线程操作同一对象的流程

如果都没有则表示是第一次进来，此时创建SyncData

源码中说到了SyncData、哈希表StripedMap以及SyncCache

  • SyncData结构分析
代码语言：javascript复制
typedef struct alignas(CacheLineSize) SyncData {
    struct SyncData* nextData;//相同的数据类型 单向链表形式
    DisguisedPtr<objc_object> object;//将object进行底层封装
    //多少线程对同一对象进行加锁的操作
    int32_t threadCount;  // number of THREADS using this block
    recursive_mutex_t mutex;//递归锁
} SyncData;

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SyncData是一个结构体类型，里面有4个变量

  • struct SyncData* nextData：和SyncData相同的数据类型单向链表的形式
  • DisguisedPtr<objc_object> object：将object进行底层封装，方便计算比较。关联对象也有其封装
  • threadCount：多少线程对同一对象进行加锁的操作
  • recursive_mutex_t mutex：递归锁
  • StripedMap
代码语言：javascript复制
#define LOCK_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].lock
#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data
static StripedMap<SyncList> sDataLists;
// SyncList
struct SyncList {
    SyncData *data;
    spinlock_t lock;

    constexpr SyncList() : data(nil), lock(fork_unsafe_lock) { }
};
// StripedMap
template<typename T>
class StripedMap {
#if TARGET_OS_IPHONE && !TARGET_OS_SIMULATOR
    enum { StripeCount = 8 };
#else
    enum { StripeCount = 64 };
#endif
   ...//省略部分代码
}

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StripedMap是一张哈希表在真机情况的存储SyncList个数是8个，其它环境64个。SyncList是一个结构体有两个变量SyncData *data 和 lock

  • SyncCache
代码语言：javascript复制
typedef struct {
    SyncData *data;
    unsigned int lockCount;  // number of times THIS THREAD locked this block
} SyncCacheItem;

typedef struct SyncCache {
    unsigned int allocated;//开辟SyncCacheItem内存空间的个数
    unsigned int used;//被使用的个数
    SyncCacheItem list[0];
} SyncCache;

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SyncCache是一个结构体，每个线程缓存对应一个SyncCache.SyncCacheItem表示每个对象锁的信息。SyncCacheItem也是一个结构体里面包含了SyncData和lockCount当前线程当前对象锁的次数

tls中查找data

tls线程局部存储：是操作系统为线程单独提供的私有空间，通常只有有限的容量。每个线程都会有独立的tls

代码语言：javascript复制
// Check per-thread single-entry fast cache for matching object
bool fastCacheOccupied = NO;
//1.从线程的局部存储中查找data
SyncData *data = (SyncData *)tls_get_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY);
if (data) {
    fastCacheOccupied = YES;//如果fastCacheOccupied = YES
    //如果 data->object 和 object相等
    if (data->object == object) {
        // Found a match in fast cache.
        uintptr_t lockCount;//被锁的次数
        result = data;//在tls中查找的data 赋值给result
        //初始化的lockCount = 1 存储 key = SYNC_COUNT_DIRECT_KEY 的tls中
        lockCount = (uintptr_t)tls_get_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY);
        if (result->threadCount <= 0  ||  lockCount <= 0) {
            _objc_fatal("id2data fastcache is buggy");
        }

        switch(why) {
        case ACQUIRE: {//加锁的标识
            lockCount  ;//lockCount     说明此锁是可以递归的
            tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);//更新tls中lockCount的值
            break;
        }
        case RELEASE://解锁的标识
            lockCount--;
            tls_set_direct(SYNC_COUNT_DIRECT_KEY, (void*)lockCount);//更新tls中lockCount的值
            if (lockCount == 0) {
                // remove from fast cache
                //如果 lockCount = 0 表示当前线程全部解锁，tls中的data设置为nil
                tls_set_direct(SYNC_DATA_DIRECT_KEY, NULL);
                // atomic because may collide with concurrent ACQUIRE
                //线程threadCount个数进行减1
                OSAtomicDecrement32Barrier(&result->threadCount);
            }
            break;
        case CHECK:
            // do nothing
            break;
        }
        //直接返回 result
        return result;
    }
}

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tls查找流程

  • 首先在tls查到data，如果data有值fastCacheOccupied = YES
  • 如果data->object == object表示加锁的是同一个对象，此时把在tls中查找的data赋值给result
  • 如果why是ACQUIRE表示加锁，此时lockCount ，并把lockCount更新到tls中
  • 如果why是RELEASE表示解锁，此时lockCount--，并把lockCount更新到tls中，如果lockCount == 0表示当前线程中没有加锁的对象或者已经全部解锁。此时threadCount减1，返回result
  • 如果data->object和object不是同一个对象则进行线程缓存查找流程

文章由作者：嘿嘿小开发 逻辑iOS学员提供

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