Atomic原子操作原理剖析_ZenDei技術網路在線

前言絕大部分程式員使用屬性時，都不太關註一個特殊的修飾首碼，一般都無腦的使用其非預設預設的狀態，他就是。入門教程中一般都建議使用非原子操作，因為新手大部分操作都在主線程，用不到線程安全的特性，大量使用還會降低執行效率。那他到底怎麼實現線程安全的呢？使用了哪種技術呢？原理屬性的實現首先 ...

前言

絕大部分 Objective-C 程式員使用屬性時，都不太關註一個特殊的修飾首碼，一般都無腦的使用其非預設預設的狀態，他就是 atomic。

@interface PropertyClass

@property (atomic, strong)    NSObject *atomicObj;  //預設也是atomic
@property (nonatomic, strong) NSObject *nonatomicObj;

@end

入門教程中一般都建議使用非原子操作，因為新手大部分操作都在主線程，用不到線程安全的特性，大量使用還會降低執行效率。

那他到底怎麼實現線程安全的呢？使用了哪種技術呢？

原理

屬性的實現

首先我們研究一下屬性包含的內容。通過查閱源碼，其結構如下：

struct property_t {
    const char *name;       //名字
    const char *attributes; //特性
};

屬性的結構比較簡單，包含了固定的名字和元素，可以通過 property_getName 獲取屬性名，property_getAttributes 獲取特性。

上例中 atomicObj 的特性為 T@"NSObject",&,V_atomicObj，其中 V 代表了 strong，atomic 特性預設沒有顯示，如果是 nonatomic 則顯示 N。

那到底是怎麼實現原子操作的呢？通過引入runtime，我們能調試一下調用的函數棧。

可以看到在編譯時就把屬性特性考慮進去了，Setter 方法直接調用了 objc_setProperty 的 atomic 版本。這裡不用 runtime 去動態分析特性，應該是對執行性能的考慮。

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, 
    id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy) {
    //偏移為0說明改的是isa
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);//獲取原值
    //根據特性拷貝
    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }
    //判斷原子性
    if (!atomic) {
        //非原子直接賦值
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        //原子操作使用自旋鎖
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }

    objc_release(oldValue);
}

id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {
    // 取isa
    if (offset == 0) {
        return object_getClass(self);
    }

    // 非原子操作直接返回
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
    if (!atomic) return *slot;
        
    // 原子操作自旋鎖
    spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
    slotlock.lock();
    id value = objc_retain(*slot);
    slotlock.unlock();
    
    // 出於性能考慮，在鎖之外autorelease
    return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}

什麼是自旋鎖呢？

鎖用於解決線程爭奪資源的問題，一般分為兩種，自旋鎖(spin)和互斥鎖(mutex)。

互斥鎖可以解釋為線程獲取鎖，發現鎖被占用，就向系統申請鎖空閑時喚醒他並立刻休眠。

自旋鎖比較簡單，當線程發現鎖被占用時，會不斷迴圈判斷鎖的狀態，直到獲取。

原子操作的顆粒度最小，只限於讀寫，對於性能的要求很高，如果使用了互斥鎖勢必在切換線程上耗費大量資源。相比之下，由於讀寫操作耗時比較小，能夠在一個時間片內完成，自旋更適合這個場景。

自旋鎖的坑

但是iOS 10之後，蘋果因為一個巨大的缺陷棄用了 OSSpinLock 改為新的 os_unfair_lock。

新版 iOS 中，系統維護了 5 個不同的線程優先順序/QoS: background，utility，default，user-initiated，user-interactive。高優先順序線程始終會在低優先順序線程前執行，一個線程不會受到比它更低優先順序線程的干擾。這種線程調度演算法會產生潛在的優先順序反轉問題，從而破壞了 spin lock。

描述引用自 ibireme 大神的文章。

我的理解是，當低優先順序線程獲取了鎖，高優先順序線程訪問時陷入忙等狀態，由於是迴圈調用，所以占用了系統調度資源，導致低優先順序線程遲遲不能處理資源並釋放鎖，導致陷入死鎖。

那為什麼原子操作用的還是 spinlock_t 呢？

using spinlock_t = mutex_tt<LOCKDEBUG>;
using mutex_t = mutex_tt<LOCKDEBUG>;

class mutex_tt : nocopy_t {
    os_unfair_lock mLock; //處理了優先順序的互斥鎖
    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);
    }
}

差點被蘋果騙了！原來系統中自旋鎖已經全部改為互斥鎖實現了，只是名稱一直沒有更改。

為了修複優先順序反轉的問題，蘋果也只能放棄使用自旋鎖，改用優化了性能的 os_unfair_lock，實際測試兩者的效率差不多。

問答

atomic的實現機制

使用atomic 修飾屬性，編譯器會設置預設讀寫方法為原子讀寫，並使用互斥鎖添加保護。

為什麼不能保證絕對的線程安全？

單獨的原子操作絕對是線程安全的，但是組合一起的操作就不能保證。

- (void)competition {
    self.intSource = 0;

    dispatch_async(queue1, ^{
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          self.intSource = self.intSource + 1;
      }
    });

    dispatch_async(queue2, ^{
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          self.intSource = self.intSource + 1;
      }
    });
}

最終得到的結果肯定小於20000。當獲取值的時候都是原子線程安全操作，比如兩個線程依序獲取了當前值 0，於是分別增量後變為了 1，所以兩個隊列依序寫入值都是 1，所以不是線程安全的。

解決的辦法應該是增加顆粒度，將讀寫兩個操作合併為一個原子操作，從而解決寫入過期數據的問題。

os_unfair_lock_t unfairLock;
- (void)competition {
    self.intSource = 0;

    unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
    dispatch_async(queue1, ^{
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          os_unfair_lock_lock(unfairLock);
          self.intSource = self.intSource + 1;
          os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
      }
    });

    dispatch_async(queue2, ^{
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          os_unfair_lock_lock(unfairLock);
          self.intSource = self.intSource + 1;
          os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
      }
    });
}