iOS-atomic修饰符原理剖析讲解 (你将会了解到什么是优先级翻转、自旋锁、互斥锁)

时间:2024-02-20 09:33:20

 
 
前言
 
这里面你将会了解到什么是优先级翻转、自旋锁、互斥锁
绝大部分 Objective-C 程序员使用属性时,都不太关注一个特殊的修饰前缀,一般都无脑的使用其非默认缺省的状态,他就是 atomic。
1 @interface PropertyClass
2  
3 @property (atomic, strong) NSObject *atomicObj; //缺省也是atomic
4 @property (nonatomic, strong) NSObject *nonatomicObj;
5  
6 @end

 

入门教程中一般都建议使用非原子操作,因为新手大部分操作都在主线程,用不到线程安全的特性,大量使用还会降低执行效率。
那他到底怎么实现线程安全的呢?使用了哪种技术呢?

原理

属性的实现

首先我们研究一下属性包含的内容。通过查阅源码,其结构如下:
1 struct property_t {
2 const char *name; //名字
3 const char *attributes; //特性
4 };

 

属性的结构比较简单,包含了固定的名字和元素,可以通过 property_getName 获取属性名,property_getAttributes 获取特性。
上例中 atomicObj 的特性为 T@"NSObject",&,V_atomicObj,其中 V 代表了 strong,atomic 特性缺省没有显示,如果是 nonatomic 则显示 N。
那到底是怎么实现原子操作的呢? 通过引入runtime,我们能调试一下调用的函数栈。

 

 

 

可以看到在编译时就把属性特性考虑进去了,Setter 方法直接调用了 objc_setProperty 的 atomic 版本。这里不用 runtime 去动态分析特性,应该是对执行性能的考虑。
 
 1 static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd,
 2 id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy) {
 3 //偏移为0说明改的是isa
 4 if (offset == 0) {
 5 object_setClass(self, newValue);
 6 return;
 7 }
 8  
 9 id oldValue;
10 id *slot = (id*) ((char*)self + offset);//获取原值
11 //根据特性拷贝
12 if (copy) {
13 newValue = [newValue copyWithZone:nil];
14 } else if (mutableCopy) {
15 newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
16 } else {
17 if (*slot == newValue) return;
18 newValue = objc_retain(newValue);
19 }
20 //判断原子性
21 if (!atomic) {
22 //非原子直接赋值
23 oldValue = *slot;
24 *slot = newValue;
25 } else {
26 //原子操作使用自旋锁
27 spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
28 slotlock.lock();
29 oldValue = *slot;
30 *slot = newValue;
31 slotlock.unlock();
32 }
33  
34 objc_release(oldValue);
35 }
36  
37 id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {
38 // 取isa
39 if (offset == 0) {
40 return object_getClass(self);
41 }
42  
43 // 非原子操作直接返回
44 id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
45 if (!atomic) return *slot;
46 // 原子操作自旋锁
47 spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
48 slotlock.lock();
49 id value = objc_retain(*slot);
50 slotlock.unlock();
51 // 出于性能考虑,在锁之外autorelease
52 return objc_autoreleaseReturnValue(value);
53 }

 

什么是自旋锁呢?

锁用于解决线程争夺资源的问题,一般分为两种,自旋锁(spin)和互斥锁(mutex)。
互斥锁可以解释为线程获取锁,发现锁被占用,就向系统申请锁空闲时唤醒他并立刻休眠。互斥锁加锁的时候,等待锁的线程处于休眠状态,不会占用CPU的资源
自旋锁比较简单,当线程发现锁被占用时,会不断循环判断锁的状态,直到获取。自旋锁加锁的时候,等待锁的线程处于忙等状态,并且占用着CPU的资源。
原子操作的颗粒度最小,只限于读写,对于性能的要求很高,如果使用了互斥锁势必在切换线程上耗费大量资源。相比之下,由于读写操作耗时比较小,能够在一个时间片内完成,自旋更适合这个场景。

自旋锁的坑

但是iOS 10之后,苹果因为一个巨大的缺陷弃用了 OSSpinLock 改为新的 os_unfair_lock。
新版 iOS 中,系统维护了 5 个不同的线程优先级/QoS: background,utility,default,user-initiated,user-interactive。高优先级线程始终会在低优先级线程前执行,一个线程不会受到比它更低优先级线程的干扰。这种线程调度算法会产生潜在的优先级反转问题,从而破坏了 spin lock。
描述引用自 ibireme 大神的文章。
优先级翻转的问题
新版 iOS 中,系统维护了 5 个不同的线程优先级/QoS: background,utility,default,user-initiated,user-interactive。高优先级线程始终会在低优先级线程前执行,一个线程不会受到比它更低优先级线程的干扰。这种线程调度算法会产生潜在的优先级反转问题,从而破坏了 spin lock。
具体来说,如果一个低优先级的线程获得锁并访问共享资源,这时一个高优先级的线程也尝试获得这个锁,它会处于 spin lock 的忙等状态从而占用大量 CPU。此时低优先级线程无法与高优先级线程争夺 CPU 时间,从而导致任务迟迟完不成、无法释放 lock。导致陷入死锁
这并不只是理论上的问题,libobjc 已经遇到了很多次这个问题了,于是苹果的工程师停用了 OSSpinLock。iOS10以后,苹果给出了新的api
那为什么原子操作用的还是 spinlock_t 呢?
 
using spinlock_t = mutex_tt<LOCKDEBUG>;
using mutex_t = mutex_tt<LOCKDEBUG>;
 
class mutex_tt : nocopy_t {
os_unfair_lock mLock; //处理了优先级的互斥锁
void lock() {
lockdebug_mutex_lock(this);
os_unfair_lock_lock_with_options_inline
(&mLock, OS_UNFAIR_LOCK_DATA_SYNCHRONIZATION);
}
void unlock() {
lockdebug_mutex_unlock(this);
os_unfair_lock_unlock_inline(&mLock);
}
}

 

差点被苹果骗了!原来系统中自旋锁已经全部改为互斥锁实现了,只是名称一直没有更改。
为了修复优先级反转的问题,苹果也只能放弃使用自旋锁,改用优化了性能的 os_unfair_lock,实际测试两者的效率差不多。
os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock,从iOS10开始才支持
从底层调用看,等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态,并非忙等 

问答

atomic的实现机制

使用atomic 修饰属性,编译器会设置默认读写方法为原子读写,并使用互斥锁添加保护。

为什么不能保证绝对的线程安全?

单独的原子操作绝对是线程安全的,但是组合一起的操作就不能保证。
 
 1 - (void)competition {
 2 self.intSource = 0;
 3  
 4 dispatch_async(queue1, ^{
 5 for (int i = 0; i < 10000; i++) {
 6 self.intSource = self.intSource + 1;
 7 }
 8 });
 9  
10 dispatch_async(queue2, ^{
11 for (int i = 0; i < 10000; i++) {
12 self.intSource = self.intSource + 1;
13 }
14 });
15 }

 

最终得到的结果肯定小于20000。当获取值的时候都是原子线程安全操作,比如两个线程依序获取了当前值 0,于是分别增量后变为了 1,所以两个队列依序写入值都是 1,所以不是线程安全的。
解决的办法应该是增加颗粒度,将读写两个操作合并为一个原子操作,从而解决写入过期数据的问题。
 
 1 os_unfair_lock_t unfairLock;
 2 - (void)competition {
 3 self.intSource = 0;
 4  
 5 unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
 6 dispatch_async(queue1, ^{
 7 for (int i = 0; i < 10000; i++) {
 8 os_unfair_lock_lock(unfairLock);
 9 self.intSource = self.intSource + 1;
10 os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
11 }
12 });
13  
14 dispatch_async(queue2, ^{
15 for (int i = 0; i < 10000; i++) {
16 os_unfair_lock_lock(unfairLock);
17 self.intSource = self.intSource + 1;
18 os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
19 }
20 });
21 }

 


总结

通过学习属性的原子性,对系统中锁的理解又加深,包括自旋锁,互斥锁,读写锁等。
本来都以为实现是自旋锁了,还好留了个心眼多看了一层才发现最终实现还是互斥锁。这件事也给我一个小教训,查阅源码还是要刨根问底,只浮于表面的话,可能得不到想要的真相。

引用