iOS 线程锁同步机制

转载自 http://yulingtianxia.com/blog/2015/11/01/More-than-you-want-to-know-about-synchronized/ 

如果你已经使用 Objective-C 编写过任何并发程序，那么想必是见过 @synchronized 这货了。

@synchronized 结构所做的事情跟锁（lock）类似：它防止不同的线程同时执行同一段代码。但在某些情况下，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。

译者注：这与苹果官方文档对 @synchronized 的介绍有少许出入，但意思差不多。苹果官方文档更强调它“防止不同的线程同时获取相同的锁”，因为文档在集中介绍多线程编程各种锁的作用，所以更强调“相同的锁”而不是“同一段代码”。

如果你之前没用过 @synchronized，接下来有个使用它的例子。这篇文章实质上是谈谈有关我对 @synchronized 实现原理的一个简短研究。

用到 @synchronized 的例子

假设我们正在用 Objective-C 实现一个线程安全的队列，我们一开始可能会这么干：

@implementation ThreadSafeQueue
{
　　NSMutableArray *_elements;
　　NSLock *_lock;
}

- (instancetype)init
{
　　self = [super init];
　　if (self) {
　　　　_elements = [NSMutableArray array];
　　　　_lock = [[NSLock alloc] init];
　　}
　　return self;
}

- (void)push:(id)element
{
　　[_lock lock];
　　[_elements addObject:element];
　　[_lock unlock];
}
@end

上面的 ThreadSafeQueue 类有个 init 方法，它初始化了一个 _elements 数组和一个 NSLock 实例。这个类还有个 push: 方法，它先获取锁、然后向数组中插入元素、最终释放锁。可能会有许多线程同时调用 push: 方法，但是 [_elements addObject:element] 这行代码在任何时候将只会在一个线程上运行。步骤如下：

线程 A 调用 push: 方法

线程 B 调用 push: 方法

线程 B 调用 [_lock lock] - 因为当前没有其他线程持有锁，线程 B 获得了锁

线程 A 调用 [_lock lock]，但是锁已经被线程 B 占了所以方法调用并没有返回-这会暂停线程 A 的执行

线程 B 向 _elements 添加元素后调用 [_lock unlock]。当这些发生时，线程 A 的 [_lock lock] 方法返回，并继续将自己的元素插入 _elements。

我们可以用 @synchronized 结构更简要地实现这些：

@implementation ThreadSafeQueue
{
　　NSMutableArray *_elements;
}
- (instancetype)init
{
　　self = [super init];
　　if (self) {
　　　　_elements = [NSMutableArray array];
　　}
　　return self;
}
- (void)increment
{
　　@synchronized (self) {
　　　　[_elements addObject:element];
　　}
}
@end

在前面的例子中，”synchronized block” 与 [_lock lock] 和 [_lock unlock] 效果相同。你可以把它当成是锁住 self，仿佛 self 就是个 NSLock。锁在左括号 { 后面的任何代码运行之前被获取到，在右括号 } 后面的任何代码运行之前被释放掉。这爽就爽在妈妈再也不用担心我忘记调用 unlock 了！

你可以给任何 Objective-C 对象上加个 @synchronized。那么我们也可以在上面的例子中用 @synchronized(_elements) 来替代 @synchronized(self)，效果是相同的。

回到研究上来

我对 @synchronized 的实现十分好奇并搜了一些它的细节。我找到了一些答案，但这些解释都没有达到我想要的深度。锁是如何与你传入 @synchronized 的对象关联上的？@synchronized会保持（retain，增加引用计数）被锁住的对象么？假如你传入 @synchronized 的对象在 @synchronized 的 block 里面被释放或者被赋值为 nil 将会怎么样？这些全都是我想回答的问题。而我这次的收获，会要你好看。

@synchronized 的文档告诉我们 @synchronized block 在被保护的代码上暗中添加了一个异常处理。为的是同步某对象时如若抛出异常，锁会被释放掉。

SO 上的这篇帖子 说 @synchronized block 会变成 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 的成对儿调用。我们不知道这些函数是干啥的，但基于这些事实我们可以认为编译器将这样的代码：

@synchronized(obj) {
    // do work
}

转化成这样的东东：

@try {
    objc_sync_enter(obj);
    // do work
} @finally {
    objc_sync_exit(obj); 
}

objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 是什么鬼？它们是如何实现的？在 Xcode 中按住 Command 键单击它们，然后进到了，里面有我们感兴趣的这两个函数：

/** 
* Begin synchronizing on 'obj'. 
* Allocates recursive pthread_mutex associated with 'obj' if needed.
* 
* @param obj The object to begin synchronizing on.
* 
* @return OBJC_SYNC_SUCCESS once lock is acquired. 
*/
OBJC_EXPORT int objc_sync_enter(id obj)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_3, __IPHONE_2_0);
/** 
* End synchronizing on 'obj'. 
* 
* @param obj The objet to end synchronizing on.
* 
* @return OBJC_SYNC_SUCCESS or OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR
*/
OBJC_EXPORT int objc_sync_exit(id obj)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_3, __IPHONE_2_0);

// The wait/notify functions have never worked correctly and no longer exist.
OBJC_EXPORT int objc_sync_wait(id obj, long long milliSecondsMaxWait) 
UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;
OBJC_EXPORT int objc_sync_notify(id obj) 
UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;
OBJC_EXPORT int objc_sync_notifyAll(id obj) 
UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;

不过，objc_sync_enter 的文档告诉我们一些新东西： @synchronized 结构在工作时为传入的对象分配了一个递归锁。分配工作何时发生，如何发生呢？它怎样处理 nil？幸运的是 Objective-C runtime 是开源的，所以我们可以马上阅读源码并找到答案！

注：递归锁在被同一线程重复获取时不会产生死锁。你可以在这找到一个它工作原理的精巧案例。有个叫做 NSRecursiveLock 的现成的类也是这样的，你可以试试。

你可以在这里找到 objc-sync 的全部源码，但我要带着你看源码，让你屌的飞起。我们先从文件顶部的数据结构开始看。在代码块的下方我将立刻做出解释，所以尝试理解代码时别花太长时间哦。

typedef struct SyncData {
id object;
recursive_mutex_t mutex;
struct SyncData* nextData;
int threadCount;
} SyncData;
typedef struct SyncList {
SyncData *data;
spinlock_t lock;
} SyncList;

// Use multiple parallel lists to decrease contention among unrelated objects.
#define COUNT 16
#define HASH(obj) ((((uintptr_t)(obj)) >> 5) & (COUNT - 1))
#define LOCK_FOR_OBJ(obj) sDataLists[HASH(obj)].lock
#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[HASH(obj)].data
static SyncList sDataLists[COUNT];

一开始，我们有一个 struct SyncData 的定义。这个结构体包含一个 object（嗯就是我们给 @synchronized 传入的那个对象）和一个有关联的 recursive_mutex_t，它就是那个跟 object 关联在一起的锁。每个 SyncData 也包含一个指向另一个 SyncData 对象的指针，叫做 nextData，所以你可以把每个 SyncData 结构体看做是链表中的一个元素。最后，每个 SyncData 包含一个 threadCount，这个 SyncData 对象中的锁会被一些线程使用或等待，threadCount 就是此时这些线程的数量。它很有用处，因为 SyncData 结构体会被缓存，threadCount==0 就暗示了这个 SyncData 实例可以被复用。

下面是 struct SyncList 的定义。正如我在上面提过，你可以把 SyncData 当做是链表中的节点。每个 SyncList 结构体都有个指向 SyncData 节点链表头部的指针，也有一个用于防止多个线程对此列表做并发修改的锁。

上面代码块的最后一行是 sDataLists 的声明 - 一个 SyncList 结构体数组，大小为16。通过定义的一个哈希算法将传入对象映射到数组上的一个下标。值得注意的是这个哈希算法设计的很巧妙，是将对象指针在内存的地址转化为无符号整型并右移五位，再跟 0xF 做按位与运算，这样结果不会超出数组大小。 LOCK_FOR_OBJ(obj) 和 LIST_FOR_OBJ(obj) 这俩宏就更好理解了，先是哈希出对象的数组下标，然后取出数组对应元素的 lock 或 data。一切都是这么顺理成章哈。

当你调用 objc_sync_enter(obj) 时，它用 obj 内存地址的哈希值查找合适的 SyncData，然后将其上锁。当你调用 objc_sync_exit(obj) 时，它查找合适的 SyncData 并将其解锁。

噢耶！现在我们知道了 @synchronized 如何将一个锁和你正在同步的对象关联起来，我希望聊聊当一个对象在 @synchronized block 当中被释放或设为 nil 时会发生什么。

如果你看了源码，你会注意到 objc_sync_enter 里面没有 retain 和 release。所以它要么没有保持传递给它的对象，要么或是在 ARC 下被编译。我们可以用下面的代码来做个测试：

NSDate *test = [NSDate date];
// This should always be `1`
NSLog(@"%@", @([test retainCount]));
@synchronized (test) {
    // This will be `2` if `@synchronized` somehow
    // retains `test`
    NSLog(@"%@", @([test retainCount]));
}

两次输出结果都是 1。那么 objc_sync_enter 貌似是没保持被传入的对象啊。这就有趣了。如果你正在同步的对象被释放了，然后有可能另一个新的对象在此处（被释放对象的内存地址）被分配内存。有可能某个其他的线程试着去同步那个新的对象（就是那个在被释放的旧对象的内存地址上刚刚新创建的对象）。在这种情况下，另一个线程将会阻塞，直到当前线程结束它的同步 block。这看起来并不是很糟。这听起来像是这种事情实现者早就知道并予以接受。我没有遇到过任何好的替代方案。

假如对象在 “synchronized block” 中被设成 nil 呢？我们回顾下我们“拿衣服（naive）”的实现吧：

NSString *test = @"test";
@try {
    // Allocates a lock for test and locks it
    objc_sync_enter(test);
    test = nil;
} @finally {
    // Passed `nil`, so the lock allocated in `objc_sync_enter`
    // above is never unlocked or deallocated
    objc_sync_exit(test); 
}

objc_sync_enter 被调用时传入的是 test 而 objc_sync_exit 被调用时传入的是 nil。而传入 nil 的时候 objc_sync_exit 是个空操作，所以将不会有人释放锁。这真操蛋！

如果 Objective-C 容易受这种情况的影响，我们知道么？下面的代码调用 @synchronized 并在 @synchronized block 中将一个指针设为 nil。然后在后台线程对指向同一个对象的指针调用 @synchronized。如果在 @synchronized block 中设置一个对象为 nil 会让锁死锁，那么在第二个 @synchronized 中的代码将永远不会执行。我们将不会在控制台中看见任何东西打印出来。

NSNumber *number = @(1);
NSNumber *thisPtrWillGoToNil = number;
@synchronized (thisPtrWillGoToNil) {
/**
* Here we set the thing that we're synchronizing on to `nil`. If
* implemented naively, the object would be passed to `objc_sync_enter`
* and `nil` would be passed to `objc_sync_exit`, causing a lock to
* never be released.
*/
thisPtrWillGoToNil = nil;
}
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND, 0), ^ {
NSCAssert(![NSThread isMainThread], @"Must be run on background thread");
/**
* If, as mentioned in the comment above, the synchronized lock is never
* released, then we expect to wait forever below as we try to acquire
* the lock associated with `number`.
*
* This doesn't happen, so we conclude that `@synchronized` must deal
* with this correctly.
*/
@synchronized (number) {
NSLog(@"This line does indeed get printed to stdout");
}
});

当我们执行上面的代码时，那行代码确实打印到控制台了！所以 Objective-C 很好地处理了这种情形。我打赌是编译器做了类似下面的事情来解决这事儿的。

NSString *test = @"test";
id synchronizeTarget = (id)test;
@try {
    objc_sync_enter(synchronizeTarget);
    test = nil;
} @finally {
    objc_sync_exit(synchronizeTarget); 
}

用这种方式实现的话，传递给 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 总是相同的对象。他们在传入 nil 时都是空操作。这带来了个棘手的 debug 场景：如果你向 @synchronized 传递 nil，那么你就不会得到任何锁而且你的代码将不会是线程安全的！如果你想知道为什么你正收到出乎意料的竞态（race），确保你没向你的 @synchronized 传入 nil。你可以在 objc_sync_nil 上设置一个符号断点来达到此目的。objc_sync_nil 是一个空方法，当 objc_sync_enter 函数被传入 nil 时会被调用，折让 debug 更容易些。

译者注：下面是 objc_sync_enter 的源码，主要逻辑很容易看懂，加深理解 objc_sync_nil：

int objc_sync_enter(id obj)
{
int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
if (obj) {
SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
require_action_string(data != NULL, done, result = OBJC_SYNC_NOT_INITIALIZED, "id2data failed");
result = recursive_mutex_lock(&data->mutex);
require_noerr_string(result, done, "mutex_lock failed");
} 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();
}
done: 
return result;
}

这回答了我眼下的问题。

你调用 sychronized 的每个对象，Objective-C runtime 都会为其分配一个递归锁并存储在哈希表中。

如果在 sychronized 内部对象被释放或被设为 nil 看起来都 OK。不过这没在文档中说明，所以我不会再生产代码中依赖这条。

注意不要向你的 sychronized block 传入 nil！这将会从代码中移走线程安全。你可以通过在 objc_sync_nil 上加断点来查看是否发生了这样的事情。

研究的下一步将是研究下 “synchronized block” 输出的汇编，看看它是否跟我上面的例子相似。我打赌 @synchronized block 的汇编输出不会跟任何我们设计的 Objective-C 代码相同，上面的代码充其量是 @synchronized 的工作模型。你能想到更好的模型么？我的模型在哪些情形下会有瑕疵么？告诉我吧！