iOS多线程递归锁 @synchronized底层原理探求

在系统运行开发中，随着运行程序复杂度的参与，多线程编程成为了优化用户体验和运行性能的关键技术之一，线程同步占据着无足轻重的位置。鉴于iOS运行程序广泛触及多义务处置和并发操作，确保线程安保成为一项至关关键的义务。Objective-C言语为此提供了一种高效且牢靠的同步机制，即@synchronized关键字。这一机制经过标志特定代码段为临界区，确保了同一时辰仅有一个线程能够口头该代码块，从而有效包全了数据的分歧性和完整性。

此外，@synchronized关键字在多线程环境中还具有递归锁定的才干。这象征着同一线程可以屡次失掉同一把锁，而不会造成死锁的发生，极大地优化了递归调用的安保性和可行性。

在iOS多线程环境中，@synchronized关键字是成功线程同步和递归锁定的关键技术。其外部成功原理基于Objective-C的运转时（Runtime）和底层的锁机制。

首先，@synchronized关键字在编译时会被转换成Objective-C运转时库中的一个函数调用，即objc_sync_enter和objc_sync_exit。这两个函数区分用于失掉和监禁锁。当线程尝试进入@synchronized代码块时，objc_sync_enter函数会被调用，并尝试失掉与给定对象相关联的锁。假设锁曾经被其余线程持有，则线程将被阻塞，直到锁被监禁。假设锁成功失掉，则线程可以安保地口头@synchronized代码块中的代码。

其次，@synchronized关键字的递归锁定才干是经过在运转时保养一个线程到锁计数器的映射来成功的。当同一线程屡次进入同一个@synchronized代码块时，锁计数器会递增，而不是从新失掉锁。这样，即使线程屡次进入临界区，也不会造成死锁。当线程分开@synchronized代码块时，锁计数器会递减，直到计数器归零，此时锁才会被监禁，准许其余线程进入临界区。

首先，经过一个demo来了解下@synchronized的详细结构：

objc命令，将上述的demo代码重写为C+ 代码，这里将关键代码提取如下：

显然，从给定消息中可以明白，_sync_exit()函数触发了_SYNC_EXIT的结构环节，而 ~_SYNC_EXIT是_SYNC_EXIT的析构函数。从基本上讲，@synchronized指令的底层成功依赖于对objc_sync_enter和objc_sync_exit这两个函数的调用。接上去，咱们将深化解析 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit的详细成功模式。

objc_sync_enter和objc_sync_exit是 Objective-C 运转时库中用于处置同步锁的关键函数。这两个函数经过底层的锁机制（如互斥锁或自旋锁）来确保在同一时辰，只要一个线程能够口头特定的代码块。上方，咱们将详细解析这两个函数的成功模式及其面前的原理。

objc_sync_enter函数的关键作用是尝试失掉与给定对象相关联的锁。假设锁已被其余线程持有，则线程将被阻塞，直到锁被监禁。这个函数的成功通常包括以下几个步骤：

1. 计算锁对象的哈希值：首先，依据传入的对象（通常是作为@synchronized语句中锁的惟一标识符），计算出一个哈希值。这个哈希值用于在外部的数据结构中极速定位到对应的锁对象。

2.查找或创立锁对象：在外部的数据结构中（如哈希表或链表），依据计算出的哈希值查找能否存在对应的锁对象。假设不存在，则创立一个新的锁对象并拔出到数据结构中。这个锁对象或许是一个封装了互斥锁或自旋锁等底层同步机制的结构体。

3. 尝试失掉锁：经常使用找到的锁对象，尝试失掉锁。这通常触及究竟层同步机制的调用，如调用互斥锁的lock方法或自旋锁的相关操作。假设锁已被其余线程持有，则线程将被阻塞。

4.记载线程与锁的相关：为了支持递归锁定，Objective-C 运转时还须要记载哪些线程曾经持有了哪些锁，以及持有锁的次数。这通常是经过一个线程到锁计数器的映射来成功的。

objc_sync_exit函数的关键作用是监禁之前经过objc_sync_enter失掉的锁。这个函数的成功通常包括以下几个步骤：

1. 计算锁对象的哈希值：与objc_sync_enter相反，首先依据传入的对象计算哈希值，以找到对应的锁对象。

2. 查找锁对象：在外部的数据结构中查找对应的锁对象。

3. 监禁锁：经常使用找到的锁对象，调用其监禁锁的方法（如互斥锁的unlock方法）。这将准许其余被阻塞的线程进入临界区。

4. 降级线程与锁的相关：假设线程是最后一次性监禁该锁（即锁计数器减至零），则从线程到锁计数器的映射中移除该线程的记载。这确保了递归锁定的正确性。

从深化探求objc_sync_enter和objc_sync_exit两个函数的源代码中，咱们可以明晰地看到这两个函数在同步机制中的外围作用。它们经过奇妙地利用互斥锁data->mutex，确保了线程安保地进入和分开同步块。这种机制在并发编程中至关关键，能够防止多个线程同时访问共享资源，从而防止了数据竞争和不分歧性的危险。

进一步地，咱们发现data这个变量实践上是指向一个SyncData类型实例对象的指针。在这里，SyncData表演了至关关键的角色，它封装了与同步操作相关的一切必要消息，包括互斥锁、同步形态等。经过精心设计的SyncData结构体，咱们能够愈加灵敏地治理和控制同步资源的访问，确保程序在不同线程之间的协调运转。

与此同时，id2data这一组件也惹起了咱们的关注。从名字上推测，它仿佛是一个用于将某种标识符（如对象ID）映射到对应SyncData实例的函数或方法。在并发编程中，这样的映射相关关于极速定位和治理同步资源至关关键。经过id2data，咱们可以依据传入的obj（或许是某个对象的惟一标识符）极速地查找到对应的data（即该对象的同步数据）。这种映射机制大大提高了同步操作的效率和准确性，为程序的并发口头提供了强有力的支持。

为了更深化地理解SyncData结构体和id2data的详细成功，咱们将在接上去的第三小节中详细讨论SyncData的结构和成员变量，以及它在同步机制中的详细运行。同时，在第四小节中，咱们将解析id2data的成功细节，包括它如何接纳输入参数、启动映射查找以及前往对应的SyncData实例。经过对这些外围组件的深化了解，咱们将能够更好地掌握Objective-C的同步机制，并在实践开发中灵敏运用。

首先，让咱们对SyncData结构体的成功启动了解：

从这段源码中可以看到SyncData的基本结构，实质上是寄存了一个传入对象obj的单向链表、一把递归锁、以及经常使用的线程数量。可以从上方的这段源码中看一下这把递归锁。这把递归锁实质上 是iOS中的一把互斥锁。在之前的版本中recursive 来启动封装的，因此这里只须要将其了解成一把互斥锁即可。

四、id2data的底层成功的剖析与钻研

在正式深化剖析id2data的详尽细节之际，为了构建一个更为明晰的认知框架，本文将首先对所触及的数据结构启动一次性微观层面的梳理与全体性论述。此举旨在为后续针对id2data的深化讨论奠定松软的背景常识基础，确保各位读者能够附丽这一稳如泰山的基石，愈加精准地掌握相关概念与逻辑头绪。

可以清楚地观察到，SyncCache容器中存储的是SyncData类型的数据。SyncData这个结构体在文章的第三部分曾经启动了详细的说明，因此在这里就不再重复解释了。实践上，从这个细节上咱们可以推测出，SyncCache仿佛是一个专门设计用来存储含有SyncData的SyncCacheItem对象的缓存机制。从这个角度来看，SyncCache的性能和用途变得十分清楚，它就是一个用来放慢数据访问速度的暂时存储区域，当须要访问数据时，可以间接从SyncCache中失掉，从而提高程序的运转效率。同时，这也表现了设计者关于数据存储和读取效率的注重，经过引入缓存机制，使得频繁访问的数据能够极速失掉，从而优化全体的性能表现。

图8 极速存储外部存储结构

这里的极速缓存，其实和SyncCache在实质上是十分相似的，它们都是一种用于优化数据读取速度的缓存机制。二者的关键区别在于，SyncCache是将数据存储在一个列表中，而极速缓存则只是存储了单个的SyncCacheItem。每个Item都经过两个关键的Key来失掉其对应的data和lockCount。这种设计使得极速缓存能够更快地读取数据，由于它不须要遍历整个列表，而是间接经过Key来失掉数据。同时，这也使得极速缓存的存储空间愈加节俭，由于它不须要为一个列表调配少量的内存空间。

sDataLists是一个全局性的静态变量，象征着在整个运行程序中，它只能存在一个实例。在这个全局变量中，包括了一个名为SyncList的不凡列表。这个SyncList列表在程序中具有共同的位置，它担任治理和同步一切须要共享和降级形态的数据。由于它是静态的，所以无论在程序的哪个部分，只需须要访问sDataLists，都能间接经过它的称号来援用它，而不须要先创立一个部分变量。这种设计使得数据的治理和同步变得愈加高效和方便。

在深化剖析sDataLists的源代码架构时，咱们可明白辨识出sDataLists实质上遵照哈希表的数据结构设计。这一精心筹划的架构面前，包括着深远的目的与周详的考量。哈希表作为一种高效的数据组织模式，其外围长处在于清楚优化数据检索的速度与效率。但是，在的成功框架中，哈希表所承载的性能与角色远超于此繁多范围。

若咱们摒弃驳回StripedMap的战略，系统将不得不依赖繁多的全局SyncList实例来兼顾一切对象的锁定与解锁流程。此设计打算虽繁复，却潜藏着清楚的性能瓶颈。详细而言，每当有任一对象尝试访问或修正该哈希表时，其操作将自愿暂停，直至其余一切对象成功其解锁操作，方可继续口头。此类串行化的处置模式，无疑将大幅度加剧内存的占用状况，对系统全体性能造成不利影响。

StripedMap的引入，为现存疑问提供了有效的处置打算。其外围价值体如今对繁多的SyncList实施分片处置，这一机制确保了多个对象能够并行且独立地操作不同的SyncList实例。经过StripedMap预先性能并治理必定数量的SyncList，并在实践调用时采取平衡调配的战略，系统得以清楚优化其并发处置才干。详细而言，每个对象在口头加锁操作时，均能够自主选用一个独立的SyncList启动操作，从而成功规避了全局锁或许引发的性能瓶颈疑问。

TLS就是线程部分存储，是操作系统为线程独自提供的私有空间，能存储只属于线程的一些数据。

TLS，即线程部分存储，是操作系统提供的一种机制，为每个线程独自调配一块私有内存空间，用于存储只属于该线程的数据。由于线程是操作系统启动义务调度和资源调配的最小单位,因此TLS可以确保每个线程领有独立的存储空间,防止了线程之间的数据搅扰和抵触,提高了程序的并发性和稳如泰山性。

在多线程程序中,每个线程或许会访问共享资源,如全局变量或共享内存区域,这会造成数据竞争和竞态条件,从而影响程序的正确性和牢靠性。为了处置这个疑问,开发者通常须要经常使用同步机制,如互斥锁、信号量等,来包全共享资源的访问。但是这些同步机制会带来额外的开支，降落程序的性能。而经常使用TLS，可以将一些须要频繁访问且不触及共享资源的数据存储在线程的私有空间中，防止了同步机制的经常使用，提高了程序的运转效率和性能。

TLS的经常使用须要开发者在编写程序时启动适当的申明和初始化,以确保每个线程都能够正确地访问其私有空间中的数据。同时,由于TLS是操作系统提供的一种机制,其详细成功和接口或许会因操作系统的不同而有所差异,因此开发者须要依据详细的操作系统和编译器环境启动相应的适配和调整。

在讨论咱们的议题，现转入id2Data的详细成功细节。鉴于源码存在必定水平的冗余性，以下将依据4.6.1至4.6.4小节启动逐个解析。首先，系统将依据传入的obj参数定位并检索锁及链表的起始节点。

在每个线程的线程部分存储（TLS）中，都会部署一个FastCache机制。该机制的成功环节关键包括以下几个谨严且有序的步骤：

首先，系统会审核能否存在SyncData数据。若存在，则立即将fastCacheOccupied标志位设置为YES，以明白批示极速缓存中已存有有效数据。

紧接着，系统将口头一项关键性审核：验证的SyncData对象能否与操作所针对的指标对象obj齐全分歧。若二者相符，则标明在极速缓存中已找到与指标对象相婚配的锁数据。

在确认找到婚配锁数据后，系统将读取锁的lockCount值，并依据传入的操作类型（如加锁或解锁）来口头相应的操作。操作成功后，系统将降级后的lockCount值从新存储回TLS中，以便在后续的查找操作中能够迅速定位。

此FastCache机制的外围长处在于，它经过在各线程的本地存储中预先缓存锁数据，有效优化了加锁与解锁操作的口头效率。此举不只防止了频繁的全局范围查找与降级操作，还清楚降落了锁资源的争用状况，从而成功了对并发性能的清楚优化。

在FastCache极速查找机制未能成功定位指标时，程序将触发fetch_cache函数的口头，以访问线程的缓存数据，并继续口头查找操作。值得留意的是，SyncCache实质上被设计为存储SyncData元素的数组结构，这一环节实质上是遍历数组以查找与操作对象obj相婚配的项。一旦找到婚配项，程序将依据传入的操作类型口头相应的加锁或解锁操作，并同步降级lockCount的值。若lockCount递减至0，则视为该线程已成功对该锁的经常使用，随即从线程缓存中移除该锁实例。

为确保上述操作在多线程并发环境下的正确性和分歧性，防止潜在的抵触疑问，本机制驳回OSAtomicDecrement32Barrier函数来原子性地缩小result结构体中threadCount的值。此举旨在确保在缩小计数器的环节中，不会被其余线程的加锁操作所搅扰，从而保养了系统形态的稳如泰山与准确。

若极速缓存与惯例缓存均未检索到指标项，则此线程初次口头@synchronized操作。在此情境下，系统转而于sDataLists中检索相应的SyncData对象。首先，经过口头lock操作对全局链表施以加锁，此举旨在防止多个线程并行创立同一对象的新锁，确保线程安保。随后，遍历全局链表，以查找与对象相婚配的SyncData实例。

若遍历环节中成功定位到婚配的SyncData，则将该实例赋值予result变量，并应用OSAtomicDecrement32Barrier原子操作递增result->threadCount的值，此举旨在防范与并发的监禁操作出现潜在抵触，确保数据分歧性与线程安保。成功上述步骤后，该SyncData的相关消息即可在TLS（线程部分存储）中被后续访问。若系统检测到存在未经常使用的SyncData实例，则优先思考复用此类资源，以优化资源应用效率，缩小不用要的对象创立与销毁开支。

若sDataLists中未能寻获所需数据，则需自行构建SyncData并将其缓存至线程缓存，以备后续查问之需。扫视id2data的锁失掉流程，其驳回了一种相似于三级缓存的机制，即依次从极速缓存、惯例缓存至哈希表启动检索。此设计旨在高效治理多线程环境中的锁资源，确保线程能迅速取得锁以口头加锁与解锁操作，从而优化系统效率。面对sDataLists检索无果之情境，应采取相应战略，即创立SyncData的新实例，并将其妥善地归入缓存体系之中，以保证数据的完整性与系统的稳如泰山运转。

图16 id2Data基本结构之SyncData参与缓存

经过本文上述自上而下的剖析可以看出，@synchronized经过id Data的三级缓存机制及时极速为传入的对象obj拿到锁，并清楚的记载着这些锁的lockCount及经常使用状况， 确保在同一期间只要一个线程能够口头，从而 防止数据竞争和保证线程安保 的目的。可以总结出以下几点：

总之，在iOS开发环节中，@synchronized提供了一种方便的线程同步机制，使得开发者能够轻松成功线程同步。尤其是在处置递归锁的状况下，经常使用@synchronized能够有效地防止死锁的出现，大大提高了代码的安保性和牢靠性。这一特性关于开发者来说十分关键，由于它不只确保了线程之间有序访问共享资源，还降落了复杂度，使得开发者能够愈加专一于业务逻辑的成功。最后，本文探求iOS成功线程同步机制的环节，旨在同步系统开发畛域为开发者提供具有参考价值的疏导。

，中国农业银行股份有限公司研发中心软件研发工程师 ，相熟iOS开发，具有SpringBoot及React相关开发阅历，具有扎实的计算机基础常识储藏。

，中国农业银行股份有限公司研发中心软件研发工程师 ，长于SpringBoot+Vue全栈式开发，热爱编程和学习前沿技术消息。