iOS多线程到底不安全在哪里?

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。

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。

Property

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:

@property (atomic, strong) NSString*                 userName;

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。

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。

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。

比如:

self.userName = @"peak";

是在对指针本身进行赋值。而

[self.userName rangeOfString:@"peak"];

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。

所以我们可以大致上将property分为三类:

分完类之后,我们需要明白这三类property的内存模型。

Memory Layout

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:

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。

当我们访问property的时候,实际上是访问上图中三块内存区域。

self.userName = @"peak";

是修改第一块区域。

self.count = 10;

是在修改第二块区域。

[self.userName rangeOfString:@"peak"];

是在读取第三块区域。

不安全的定义

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:

 A piece of code is thread-safe if it manipulates shared data structures only in a manner that guarantees safe execution by multiple threads at the same time

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:多线程访问时出现意料之外的结果。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。

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:

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同时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:

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。

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。

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。

值类型Property

先以BOOL值类型为例,当我们有两个线程访问如下property的时候:

@property (nonatomic, assgin) BOOL    isDeleted;

//thread 1
bool isDeleted = self.isDeleted;

//thread 2
self.isDeleted = false;

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)。

如果是int类型呢?

@property (nonatomic, assgin) int    count;

//thread 1
int curCount = self.count;

//thread 2
self.count = 1;

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。

atomic到底有什么用呢?据我所知,用处有二:

用处一: 生成原子操作的getter和setter。

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,就发生了多线程不安全。

用处二:设置Memory Barrier

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:

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.

memory barrier有什么用处呢?

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:

self.intA = 0;  //line 1
self.intB = 1; //line 2

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。

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。

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:

@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);
}

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多线程不安全。

指针Property

指针Property一般指向一个对象,比如:

@property (atomic, strong) NSString*                 userName;

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:

- (void)setUserName:(NSString *)userName {
    if(_uesrName != userName) {
        [userName retain];
        [_userName release];
        _userName = userName;
    }
}

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,出现多线程不安全的场景。

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。

指针Property指向的内存区域

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:

@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);
}

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,多线程不安全。

同样的场景还存在对集合类操作的时候,比如:

@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);
}

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。

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。

Property多线程安全小结:

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。

如何做到多线程安全?

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atomicity(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。

原子性是个相对的概念,它所针对的对象,粒度可大可小。

比如下段代码:

if (self.stringA.length >= 10) {
    NSString* subStr = [self.stringA substringWithRange:NSMakeRange(0, 10)];
}

是非原子性的。

但加锁以后:

//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];

整段代码就具有原子性了,就可以认为是多线程安全了。

再比如:

if (self.arr.count >= 2) {
    NSString* str = [self.arr objectAtIndex:1];
}

是非原子性的。

//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];

是具有原子性的。注意,读和写都需要加锁。

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。

如何使用哪种锁?

iOS给代码加锁的方式有很多种,常用的有:

  • @synchronized(token)
  • NSLock
  • dispatch_semaphore_t
  • OSSpinLock

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。

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。

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。

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。

Atomic Operations

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:

比如

_intA ++;

是非原子性的。

OSAtomicIncrement32(&(_intA));

是原子性的,多线程安全的。

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。

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。

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,多线程安全比多线程性能更重要,应该在前者得到充分保证,犹有余力的时候再去追求后者。

尽量避免多线程的设计

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。

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。

总结

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memory layout和原子性的理解,也希望这篇文章将atomic和nonatomic的真正区别解释清楚了:)。