iOS多线程到底不安全在哪里？
CecFenwick
8年前
<p>iOS多线程安全的概念在很多地方都会遇到，为什么不安全，不安全又该怎么去定义，其实是个值得深究的话题。</p> <p>共享状态，多线程共同访问某个对象的property，在iOS编程里是很普遍的使用场景，我们就从Property的多线程安全说起。</p> <h3><strong>Property</strong></h3> <p>当我们讨论property多线程安全的时候，很多人都知道给property加上atomic attribute之后，可以一定程度的保障多线程安全，类似：</p> <pre> <code class="language-objectivec">@property (atomic, strong) NSString* userName;</code></pre> <p>事情并没有看上去这么简单，要分析property在多线程场景下的表现，需要先对property的类型做区分。</p> <p>我们可以简单的将property分为值类型和对象类型，值类型是指primitive type，包括int, long, bool等非对象类型，另一种是对象类型，声明为指针，可以指向某个符合类型定义的内存区域。</p> <p>上述代码中userName明显是个对象类型，当我们访问userName的时候，访问的有可能是userName本身，也有可能是userName所指向的内存区域。</p> <p>比如：</p> <pre> <code class="language-objectivec">self.userName = @"peak";</code></pre> <p>是在对指针本身进行赋值。而</p> <pre> <code class="language-objectivec">[self.userName rangeOfString:@"peak"];</code></pre> <p>是在访问指针指向的字符串所在的内存区域，这二者并不一样。</p> <p>所以我们可以大致上将property分为三类：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/a9ebf61f92ee5f038ce226fe610abed8.png"></p> <p>分完类之后，我们需要明白这三类property的内存模型。</p> <h3><strong>Memory Layout</strong></h3> <p>当我们讨论多线程安全的时候，其实是在讨论多个线程同时访问一个内存区域的安全问题。针对同一块区域，我们有两种操作，读（load）和写（store），读和写同时发生在同一块区域的时候，就有可能出现多线程不安全。所以展开讨论之前，先要明白上述三种property的内存模型，可用如下图示：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/be811753fdd06db8d45a3aecb9d611f1.png"></p> <p>以64位系统为例，指针NSString*是8个字节的内存区域，int count是个4字节的区域，而@“Peak”是一块根据字符串长度而定的内存区域。</p> <p>当我们访问property的时候，实际上是访问上图中三块内存区域。</p> <pre> <code class="language-objectivec">self.userName = @"peak";</code></pre> <p>是修改第一块区域。</p> <pre> <code class="language-objectivec">self.count = 10;</code></pre> <p>是在修改第二块区域。</p> <pre> <code class="language-objectivec">[self.userName rangeOfString:@"peak"];</code></pre> <p>是在读取第三块区域。</p> <h3><strong>不安全的定义</strong></h3> <p>明白了property的类型以及他们对应的内存模型，我们再来看看不安全的定义。Wikipedia如是说：</p> <p>A piece of code is <strong>thread-safe</strong> if it manipulates shared data structures only in a manner that guarantees safe execution by multiple threads at the same time</p> <p>这段定义看起来还是有点抽象，我们可以将多线程不安全解释为： <strong>多线程访问时出现意料之外的结果</strong> 。这个意料之外的结果包含几种场景，不一定是指crash，后面再一一分析。</p> <p>先来看下多线程是如何同时访问内存的。不考虑CPU cache对变量的缓存，内存访问可以用下图表示：</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/247e40b69c6542339485569665f9111e.png"></p> <p>从上图中可以看出，我们只有一个地址总线，一个内存。即使是在多线程的环境下，也不可能存在两个线程 <strong>同时</strong> 访问同一块内存区域的场景，内存的访问一定是通过一个地址总线串行排队访问的，所以在继续后续之前，我们先要明确几个结论：</p> <p>结论一：内存的访问时串行的，并不会导致内存数据的错乱或者应用的crash。</p> <p>结论二：如果读写（load or store）的内存长度小于等于地址总线的长度，那么读写的操作是原子的，一次完成。比如bool，int，long在64位系统下的单次读写都是原子操作。</p> <p>接下来我们根据上面三种property的分类逐一看下多线程的不安全场景。</p> <p>值类型Property</p> <p>先以BOOL值类型为例，当我们有两个线程访问如下property的时候：</p> <pre> <code class="language-objectivec">@property (nonatomic, strong) BOOL isDeleted; //thread 1 bool isDeleted = self.isDeleted; //thread 2 self.isDeleted = false;</code></pre> <p>线程1和线程2，一个读(load)，一个写(store)，对于BOOL isDeleted的访问可能有先后之分，但一定是串行排队的。而且由于BOOL大小只有1个字节，64位系统的地址总线对于读写指令可以支持8个字节的长度，所以对于BOOL的读和写操作我们可以认为是原子的，所以当我们声明BOOL类型的property的时候，从原子性的角度看，使用atomic和nonatomic并没有实际上的区别（当然如果重载了getter方法就另当别论了）。</p> <p>如果是int类型呢？</p> <pre> <code class="language-objectivec">@property (nonatomic, strong) int count; //thread 1 int curCount = self.count; //thread 2 self.count = 1;</code></pre> <p>同理int类型长度为4字节，读和写都可以通过一个指令完成，所以理论上读和写操作都是原子的。从访问内存的角度看nonatomic和atomic也并没有什么区别。</p> <p>atomic到底有什么用呢？据我所知，用处有二：</p> <p>用处一： <strong>生成原子操作的getter和setter。</strong></p> <p>设置atomic之后，默认生成的getter和setter方法执行是原子的。也就是说，当我们在线程1执行getter方法的时候（创建调用栈，返回地址，出栈），线程B如果想执行setter方法，必须先等getter方法完成才能执行。举个例子，在32位系统里，如果通过getter返回64位的double，地址总线宽度为32位，从内存当中读取double的时候无法通过原子操作完成，如果不通过atomic加锁，有可能会在读取的中途在其他线程发生setter操作，从而出现异常值。如果出现这种异常值，就发生了 <strong>多线程不安全</strong> 。</p> <p>用处二：设置Memory Barrier</p> <p>对于Objective C的实现来说，几乎所有的加锁操作最后都会设置memory barrier，atomic本质上是对getter，setter加了锁，所以也会设置memory barrier。官方文档表述如下：</p> <p>Note:Most types of locks also incorporate a memory barrier to ensure that any preceding load and store instructions are completed before entering the critical section.</p> <p>memory barrier有什么用处呢？</p> <p>memory barrier能够保证内存操作的顺序，按照我们代码的书写顺序来。听起来有点不可思议，事实是编译器会对我们的代码做优化，在它认为合理的场景改变我们代码最终翻译成的机器指令顺序。也就是说如下代码：</p> <pre> <code class="language-objectivec">self.intA = 0; //line 1 self.intB = 1; //line 2</code></pre> <p>编译器可能在一些场景下先执行line2，再执行line1，因为它认为A和B之间并不存在依赖关系，虽然在代码执行的时候，在另一个线程intA和intB存在某种依赖，必须要求line1先于line2执行。</p> <p>如果设置property为atomic，也就是设置了memory barrier之后，就能够保证line1的执行一定是先于line2的，当然这种场景非常罕见，一则是出现变量跨线程访问依赖，二是遇上编译器的优化，两个条件缺一不可。这种极端的场景下，atomic确实可以让我们的代码更加多线程安全一点，但我写iOS代码至今，还未遇到过这种场景，较大的可能性是编译器已经足够聪明，在我们需要的地方设置memory barrier了。</p> <p>是不是使用了atomic就一定多线程安全呢？我们可以看看如下代码：</p> <pre> <code class="language-objectivec">@property (atomic, assign) int intA; //thread A for (int i = 0; i < 10000; i ++) { self.intA = self.intA + 1; NSLog(@"Thread A: %d\n", self.intA); } //thread B for (int i = 0; i < 10000; i ++) { self.intA = self.intA + 1; NSLog(@"Thread B: %d\n", self.intA); }</code></pre> <p>即使我将intA声明为atomic，最后的结果也不一定会是20000。原因就是因为 self.intA = self.intA + 1; 不是原子操作，虽然intA的getter和setter是原子操作，但当我们使用intA的时候，整个语句并不是原子的，这行赋值的代码至少包含读取(load)，+1(add)，赋值(store)三步操作，当前线程store的时候可能其他线程已经执行了若干次store了，导致最后的值小于预期值。这种场景我们也可以称之为 <strong>多线程不安全</strong> 。</p> <p>指针Property</p> <p>指针Property一般指向一个对象，比如：</p> <pre> <code class="language-objectivec">@property (atomic, strong) NSString* userName;</code></pre> <p>无论iOS系统是32位系统还是64位，一个指针的值都能通过一个指令完成load或者store。但和primitive type不同的是，对象类型还有内存管理的相关操作。在MRC时代，系统默认生成的setter类似如下：</p> <pre> <code class="language-objectivec">- (void)setUserName:(NSString *)userName { if(_uesrName != userName) { [userName retain]; [_userName release]; _userName = userName; } }</code></pre> <p>不仅仅是赋值操作，还会有retain，release调用。如果property为nonatomic，上述的setter方法就不是原子操作，我们可以假设一种场景，线程1先通过getter获取当前 _userName ，之后线程2通过setter调用 [_userName release]; ，线程1所持有的 _userName 就变成无效的地址空间了，如果再给这个地址空间发消息就会导致crash，出现 <strong>多线程不安全</strong> 的场景。</p> <p>到了ARC时代，Xcode已经替我们处理了retain和release，绝大部分时候我们都不需要去关心内存的管理，但retain，release其实还是存在于最后运行的代码当中，atomic和nonatomic对于对象类的property声明理论上还是存在差异，不过我在实际使用当中，将NSString*设置为nonatomic也从未遇到过上述多线程不安全的场景，极有可能ARC在内存管理上的优化已经将上述场景处理过了，所以我个人觉得，如果只是对对象类property做read，write，atomic和nonatomic在多线程安全上并没有实际差别。</p> <p>指针Property指向的内存区域</p> <p>这一类多线程的访问场景是我们很容易出错的地方，即使我们声明property为atomic，依然会出错。因为我们访问的不是property的指针区域，而是property所指向的内存区域。可以看如下代码：</p> <pre> <code class="language-objectivec">@property (atomic, strong) NSString* stringA; //thread A for (int i = 0; i < 100000; i ++) { if (i % 2 == 0) { self.stringA = @"a very long string"; } else { self.stringA = @"string"; } NSLog(@"Thread A: %@\n", self.stringA); } //thread B for (int i = 0; i < 100000; i ++) { if (self.stringA.length >= 10) { NSString* subStr = [self.stringA substringWithRange:NSMakeRange(0, 10)]; } NSLog(@"Thread B: %@\n", self.stringA); }</code></pre> <p>虽然stringA是atomic的property，而且在取substring的时候做了length判断，线程B还是很容易crash，因为在前一刻读length的时候 self.stringA = @"a very long string"; ，下一刻取substring的时候线程A已经将 self.stringA = @"string"; ，立即出现out of bounds的Exception，crash， <strong>多线程不安全</strong> 。</p> <p>同样的场景还存在对集合类操作的时候，比如：</p> <pre> <code class="language-objectivec">@property (atomic, strong) NSArray* arr; //thread A for (int i = 0; i < 100000; i ++) { if (i % 2 == 0) { self.arr = @[@"1", @"2", @"3"]; } else { self.arr = @[@"1"]; } NSLog(@"Thread A: %@\n", self.arr); } //thread B for (int i = 0; i < 100000; i ++) { if (self.arr.count >= 2) { NSString* str = [self.arr objectAtIndex:1]; } NSLog(@"Thread B: %@\n", self.arr); }</code></pre> <p>同理，即使我们在访问objectAtIndex之前做了count的判断，线程B依旧很容易crash，原因也是由于前后两行代码之间arr所指向的内存区域被其他线程修改了。</p> <p>所以你看，真正需要操心的是这一类内存区域的访问，即使声明为atomic也没有用，我们平常App出现莫名其妙难以重现的多线程crash多是属于这一类，一旦在多线程的场景下访问这类内存区域的时候，要提起十二分的小心。如何避免这类crash后面会谈到。</p> <p>Property多线程安全小结：</p> <p>简而言之，atomic的作用只是给getter和setter加了个锁，atomic只能保证代码进入getter或者setter函数内部时是安全的，一旦出了getter和setter，多线程安全只能靠程序员自己保障了。所以atomic属性和使用property的多线程安全并没什么直接的联系。另外，atomic由于加锁也会带来一些性能损耗，所以我们在编写iOS代码的时候，一般声明property为nonatomic，在需要做多线程安全的场景，自己去额外加锁做同步。</p> <h3>如何做到多线程安全？</h3> <p>讨论到这里，其实怎么做到多线程安全也比较明朗了，关键字是 <strong>atomicity</strong> （原子性），只要做到原子性，小到一个primitive type变量的访问，大到一长段代码逻辑的执行，原子性能保证代码串行的执行，能保证代码执行到一半的时候，不会有另一个线程介入。</p> <p>原子性是个相对的概念，它所针对的对象，粒度可大可小。</p> <p>比如下段代码：</p> <pre> <code class="language-objectivec">if (self.stringA.length >= 10) { NSString* subStr = [self.stringA substringWithRange:NSMakeRange(0, 10)]; }</code></pre> <p>是非原子性的。</p> <p>但加锁以后：</p> <pre> <code class="language-objectivec">//thread A [_lock lock]; for (int i = 0; i < 100000; i ++) { if (i % 2 == 0) { self.stringA = @"a very long string"; } else { self.stringA = @"string"; } NSLog(@"Thread A: %@\n", self.stringA); } [_lock unlock]; //thread B [_lock lock]; if (self.stringA.length >= 10) { NSString* subStr = [self.stringA substringWithRange:NSMakeRange(0, 10)]; } [_lock unlock];</code></pre> <p>整段代码就具有原子性了，就可以认为是多线程安全了。</p> <p>再比如：</p> <pre> <code class="language-objectivec">if (self.arr.count >= 2) { NSString* str = [self.arr objectAtIndex:1]; }</code></pre> <p>是非原子性的。</p> <p>而</p> <pre> <code class="language-objectivec">//thread A [_lock lock]; for (int i = 0; i < 100000; i ++) { if (i % 2 == 0) { self.arr = @[@"1", @"2", @"3"]; } else { self.arr = @[@"1"]; } NSLog(@"Thread A: %@\n", self.arr); } [_lock unlock]; //thread B [_lock lock]; if (self.arr.count >= 2) { NSString* str = [self.arr objectAtIndex:1]; } [_lock unlock];</code></pre> <p>是具有原子性的。注意， <strong>读和写都需要加锁</strong> 。</p> <p>这也是为什么我们在做多线程安全的时候，并不是通过给property加atomic关键字来保障安全，而是将property声明为nonatomic（nonatomic没有getter，setter的锁开销），然后自己加锁。</p> <p>如何使用哪种锁？</p> <p>iOS给代码加锁的方式有很多种，常用的有：</p> <ul> <li>@synchronized(token)</li> <li>NSLock</li> <li>dispatch_semaphore_t</li> <li>OSSpinLock</li> </ul> <p>这几种锁都可以带来原子性，性能的损耗从上至下依次更小。</p> <p>我个人建议是，在编写应用层代码的时候，除了OSSpinLock之外，哪个顺手用哪个。相较于这几个锁的性能差异，代码逻辑的正确性更为重要。而且这几者之间的性能差异对用户来说，绝大部分时候都感知不到。</p> <p>当然我们也会遇到少数场景需要追求代码的性能，比如编写framework，或者在多线程读写共享数据频繁的场景，我们需要大致了解锁带来的损耗到底有多少。</p> <p>官方文档有个数据，使用Intel-based iMac with a 2 GHz Core Duo processor and 1 GB of RAM running OS X v10.5测试，获取mutex有大概0.2ms的损耗，我们可以认为锁带来的损耗大致在ms级别。</p> <p>Atomic Operations</p> <p>其实除了各种锁之外，iOS上还有另一种办法来获取原子性，使用Atomic Operations，相比锁的损耗要小一个数量级左右，在一些追求高性能的第三方Framework代码里可以看到这些Atomic Operations的使用。这些atomic operation可以在/usr/include/libkern/OSAtomic.h中查到：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/2f1251d8a688342687f0406db19331c5.png"></p> <p>比如</p> <pre> <code class="language-objectivec">_intA ++;</code></pre> <p>是非原子性的。</p> <p>而</p> <pre> <code class="language-objectivec">OSAtomicIncrement32(&(_intA));</code></pre> <p>是原子性的，多线程安全的。</p> <p>Atomic Operation只能应用于32位或者64位的数据类型，在多线程使用NSString或者NSArray这类对象的场景，还是得使用锁。</p> <p>大部分的Atomic Operation都有OSAtomicXXX，OSAtomicXXXBarrier两个版本，Barrier就是前面提到的memory barrier，在多线程多个变量之间存在依赖的时候使用Barrier的版本，能够保证正确的依赖顺序。</p> <p>对于平时编写应用层多线程安全代码，我还是建议大家多使用@synchronized，NSLock，或者dispatch_semaphore_t， <strong>多线程安全</strong> 比 <strong>多线程性能</strong> 更重要，应该在前者得到充分保证，犹有余力的时候再去追求后者。</p> <h3><strong>尽量避免多线程的设计</strong></h3> <p>无论我们写过多少代码，都必须要承认多线程安全是个复杂的问题，作为程序员我们应该尽可能的避免多线程的设计，而不是去追求高明的使用锁的技能。</p> <p>后面我会写一篇文章，介绍函数式编程及其核心思想，即使我们使用非函数式的编程语言，比如Objective C，也能极大的帮助我们避免多线程安全的问题。</p> <h3><strong>总结</strong></h3> <p>iOS下多线程不安全的分析至此结束了，如何编写多线程安全的代码，说到底还是在于对 <strong>memory layout</strong> 和 <strong>原子性</strong> 的理解，也希望这篇文章将atomic和nonatomic的真正区别解释清楚了:)。</p> <p> </p> <p> </p> <p>来自：http://mrpeak.cn/blog/ios-thread-safety/</p> <p> </p>