谈谈 swift 中的线程安全

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前言

前面讲了 swift 中的死锁，今天顺便聊聊 swift 中的线程安全相关的话题。

多线程并发是程序员都会用到的技能，但是因为调试和发现问题比较困难，所以往往最复杂和最奇怪的错误是由多线程并发引起的，这就需要我们在开发时特别注意。

在日常的开发中我们在处理多线程时应该多留个心眼，因为只要有多线程就会涉及到安全隐患。因此在本文中，我们将了解什么是线程安全，以及 iOS 提供了哪些工具来帮助我们实现它。

什么是线程安全？

线程安全指的是多个线程可能同时操作同一块内存，从而导致的异常情况，先举个例子：


class User {
    private(set) var name: String = ""
    func setName(_ name: String) {
        self.name = name
    }
}

let user = User()

let queue1 = DispatchQueue(label: "q1")
let queue2 = DispatchQueue(label: "q2")

queue1.async {
    user.setName("1")
    print(user.name)
}
queue2.async {
    user.setName("2")
    print(user.name)
}

考虑下以上代码可能如何执行，测试下来可能会是打印了两个 2，这就不符合我们的预期了，明明第一个 user.setName 传入的是 “1”，打印结果却为 2。

这种情况称为资源竞争，两个线程可能同时操作 user 对象，实际上，除了结果不符合预期外，还可能出现一个经典的崩溃 EXC_BAD_ACCESS，这是因为让两个线程尝试同时操作同一个内存地址导致的。

解决竞争问题

由于是两个线程同时操作 user 导致的问题，那么我们想要解决，只需要让两个线程先后进行操作就行了，当线程 1 进行操作时，先上一把锁，锁住 user 不让线程 2 操作，等线程 1 操作完成，解开锁，再让线程 2 操作：

let queue1 = DispatchQueue(label: "q1")
let queue2 = DispatchQueue(label: "q2")

private let lock = NSLock()
queue1.async {
    lock.lock()
    user.setName("1")
    print(user.name)
    lock.unlock()
}
queue2.async {
    lock.lock()
    user.setName("2")
    print(user.name)
    lock.unlock()
}

这下打印就正常了，保证了线程安全。

其他并发问题

除了上边提到的资源竞争问题，在使用并发的时候还可能导致一些其他问题，也需要注意，比如：

条件竞争：无法同步执行两个或多个线程，导致事件以错误的顺序执行
死锁：两个线程相互等待，这意味着两者都无法继续，线程会卡死
优先级倒置：低优先级任务持有高优先级任务所需的资源，导致执行延迟
线程爆炸：程序中申请的线程数量过多，导致资源耗尽和系统性能下降
线程匮乏：因为其他线程正在占用这个资源，导致其他线程无法访问，从而导致执行延迟

iOS 中处理线程安全提供的 API

在 Swift 中，有许多不同的方法可以实现线程安全。具体要使用哪个 API 取决于你面临的问题，下边介绍一下这些 API，并提供一些示例来展示它们应该用于什么情况。

1、async/await

这个 API 在之前的文章中有介绍过：async/await

这个 API 是 swift 官方支持的，能够解决死锁、线程爆炸和数据竞争的问题，合理利用能够减少线程相关的问题，但不是杜绝，使用不合理的话一些逻辑错误仍有可能发生。而且该功能 iOS 15 开始才能使用，所以老项目目前还用不上。

2、使用串行队列

因为是多线程导致的问题，那么改成单线程，串行执行就能解决问题了，比如上边的例子，改成单线程就可以了：

let queue1 = DispatchQueue(label: "q1")

queue1.async {
    user.setName("1")
    print(user.name)
}
queue1.async {
    user.setName("2")
    print(user.name)
}

但是，有时候为了代码执行效率之类的衡量，又必须使用多线程，这时候这种方案就行不通了。

3、使用锁

我们最开始的解决方案就是用锁来解决的，锁在 iOS 中也提供了多种选择，比如：

pthread_mutex_t 一种阻塞锁，常见的表现形式是当前线程会进入休眠
pthread_rwlock_t 阻塞读写锁
DispatchQueue 可以用作阻塞锁，也可以封装为读写锁
OperationQueue 可以用作阻塞锁
NSLock Objective-C 类的阻塞锁
OSSpinLock 自旋锁，使用一个无限循环直到锁被释放

我们一开始使用的解决方案就是 NSLock，它 API 简单，易于使用且效率很高。

4、使用信号量

信号量（DispatchSemaphore）其实是一种可用来控制访问资源的数量的标识，它的原理类似自旋锁，当发起 wait 时，会先锁住资源不让其他人访问，直到释放信号量 signal：

let semaphore = DispatchSemaphore(value: 1)
queue1.async {
    semaphore.wait()
    user.setName("1")
    print(user.name)
    semaphore.signal()
}
queue2.async {
    semaphore.wait()
    user.setName("2")
    print(user.name)
    semaphore.signal()
}

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