探究iOS多线程究竟不安全在哪里？

前言

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。

而

//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：

1. @synchronized(token)
2. NSLock
3. dispatch_semaphore_t
4. 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。

而

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:)。如果有疑问大家可以留言交流。