五类锁

锁作为一种非强制的机制，被用来保证线程安全。每一个线程在访问数据或者资源前，要先获取（Acquire）锁，并在访问结束之后释放（Release）锁。如果锁已经被占用，其它试图获取锁的线程会等待，直到锁重新可用。

不要将过多的其他操作代码放到锁里面，否则一个线程执行的时候另一个线程就一直在等待

锁总共分为五类：

• 互斥锁
• 自旋锁
• 读写锁
• 条件锁
• 递归锁

互斥锁

在一个多线程环境中，互斥锁可以确保同一时刻只有一个线程能够访问临界区，即共享资源的代码段。

工作原理

• 在访问共享资源之前进行加锁，访问完成后解锁。

• 加锁后，任何其他试图加锁的线程会被阻塞，直到当前线程解锁。

• 解锁时，如果有1个以上的线程阻塞，那么所有该锁上的线程变为就绪状态，第一个就绪的加锁，其他的又进入休眠。

自旋锁

跟互斥类似,只是自旋锁不会引起调用者睡眠， 因为资源被占用的时候, 会一直循环检测锁是否被释放（CPU不能做其他的事情）

节省了唤醒睡眠线程的内核消耗（在加锁时间短暂的情况下会大大提高效率）

在用自旋锁时有可能造成死锁，当递归调用时有可能造成死锁，调用有些其他函数也可能造成死锁，如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等

自旋锁和互斥锁的区别

例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B)，它们分别运行在Core0和 Core1上。假设线程A想要通过pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁，而此时这个锁正被线程B所持有，那么线程A就会被阻塞 (blocking)，Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中，此时Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而自旋锁则不然，它属于busy-waiting类型的锁，如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁，那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求，直到得到这个锁为止。

• 互斥锁：当一个线程试图获取一个已经被其他线程持有的锁时，这个线程会被阻塞，直到锁被释放。这通常涉及线程的上下文切换，线程被挂起并让出处理器时间给其他线程或进程。
• 自旋锁：当一个线程试图获取一个已经被其他线程持有的锁时，这个线程不会被阻塞，而是会持续检查（“自旋”）锁的状态，直到锁被释放。这避免了上下文切换的开销，但在锁持有时间较长时可能导致浪费CPU资源。

互斥锁：线程会从sleep（加锁）——>running（解锁），过程中有上下文的切换，cpu的抢占，信号的发送等开销。

自旋锁：线程一直是running(加锁——>解锁)，死循环检测锁的标志位，机制不复杂。

**总结：**自旋锁在等待锁时会持续检查锁状态而不放弃CPU时间，适合短期等待；互斥锁在等待时会让出CPU，进入阻塞状态，直至锁可用，适用于长期等待或需要避免CPU空转的场景。

读写锁

读写锁实际是一种特殊的自旋锁，它把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作。

写的时候：读写都等待；

读的时候：写等待，读无需等待

条件锁

通常与互斥锁一起使用，条件锁允许一个或多个线程等待某个特定条件满足时才继续执行，而互斥锁则用于保护临界区，防止多个线程同时访问共享资源。

工作原理：

1. 等待条件：一个线程调用条件锁的 wait() 方法时，它会释放互斥锁并阻塞自己，直到满足某个条件。在 wait() 被调用期间，其他线程可以获取互斥锁并访问临界区。
2. 唤醒线程：当条件满足时，通常是由另一个线程调用条件锁的 notify_one() 或 notify_all() 方法来唤醒一个或所有等待的线程。被唤醒的线程将重新尝试获取互斥锁。
3. 检查条件：被唤醒的线程重新获取互斥锁后，需要再次检查条件是否仍然满足，因为可能有其他线程改变了条件状态。如果条件不满足，线程可能需要再次调用 wait()。

递归锁

跟互斥类似, 但是允许同一个线程在未释放锁前，多次加锁, 不会引发死锁

九种锁

在iOS中有九种锁：

• OSSpinLock
• os_unfair_lock
• Dispatch_semaphore
• pthread_mutex
• NSLock
• NSConditon
• NSRecursiveLock
• NSConditionLock
• @synchronize

下面是9种锁的耗时排行：

OSSpinLock 自旋锁

OSSpinLock是iOS旧版本中提供的一种自旋锁（Spin Lock）实现。它通过忙等待的方式来获取锁，并且不会导致线程的阻塞和切换。自旋锁在iOS 10之后已被标记为废弃，因为它存在优先级反转和性能问题,可以使用os_unfair_lock替代

os_unfair_lock

是一种轻量级的互斥锁，特别适合于那些锁持有时间较短，且锁竞争不激烈的情况。相比于传统的互斥锁（如 pthread_mutex），os_unfair_lock 提供了更低的上下文切换开销

当一个线程试图获取一个已经被占用的锁时，它不会排队等待，而是立即返回，这意味着它可能在其他等待的线程之前再次尝试获取锁。这种机制在低竞争环境下可以减少锁的获取时间，但在高竞争环境下可能导致某些线程长期无法获取锁。

注意⚠️：尽管它在某些方面表现出类似自旋锁的行为（例如，在锁未被其他线程持有时，尝试获取锁的线程不会立即被阻塞），但它本质上仍然是一种互斥锁，因为它确保了同一时刻只有一个线程可以拥有锁。

dispatch_semaphore

• semaphore叫做”信号量”
• 信号量的初始值，可以用来控制线程并发访问的最大数量
• 信号量的初始值为1，代表同时只允许1条线程访问资源，保证线程同步

//表示最多开启5个线程
dispatch_semaphore_create(5);
// 如果信号量的值 > 0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
// 如果信号量的值 <= 0，就会休眠等待，直到信号量的值变成>0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 让信号量的值+1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);

运行下面代码：

@interface dispatch_semaphoreDemo()
@property (strong, nonatomic) dispatch_semaphore_t semaphore;
@end
@implementation dispatch_semaphoreDemo
- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
self.semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
}
return self;
}
- (void)otherTest
{
for (int i = 0; i < 20; i++) {
[[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(test) object:nil] start];
}
}
- (void)test
{
// 如果信号量的值 > 0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
// 如果信号量的值 <= 0，就会休眠等待，直到信号量的值变成>0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);sleep(2);
NSLog(@"test - %@", [NSThread currentThread]);// 让信号量的值+1
dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}
@end

每隔一秒出现一次打印。虽然我们同时开启20个线程，但是一次只能访问一条线程的资源

pthread_mutex

mutex叫做”互斥锁”，等待锁的线程会处于休眠状态

• 1、初始化锁的属性

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);/*
* Mutex type attributes
*/
#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL        0
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK    1
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE        2
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT        PTHREAD_MUTEX_NORMAL

• 2、初始化锁

// 初始化锁
pthread_mutex_init(mutex, &attr);

• 3、初始化锁结束以后，销毁属性

// 销毁属性
pthread_mutexattr_destroy(&attr);

• 4、加锁解锁

pthread_mutex_lock(&_mutex);
pthread_mutex_unlock(&_mutex);

• 5、销毁锁

pthread_mutex_destroy(&_mutex);

可以不初始化属性，在传属性的时候直接传NULL，表示使用默认属性PTHREAD_MUTEX_NORMAL。pthread_mutex_init(mutex, NULL);

确保在调用 pthread_mutex_lock() 后总是调用相应的 pthread_mutex_unlock()，并且在解锁前不要释放调用线程。否则，可能会导致死锁

NSLock

NSLock是对mutex普通锁的封装

NSLock 遵循 NSLocking 协议。Lock 方法是加锁，unlock 是解锁，tryLock 是尝试加锁，如果失败的话返回 NO，lockBeforeDate: 是在指定Date之前尝试加锁，如果在指定时间之前都不能加锁，则返回NO

@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end@interface NSLock : NSObject <NSLocking> {
@private
void *_priv;
}- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@property (nullable, copy) NSString *name
@end

使用方法：

@interface NSLockDemo()
@property (nonatomic,strong) NSLock *lock;
@end- (void)test{
[self.lock lock];
[self doSomeThing];
[self.lock unlock];
}

NSRecursiveLock

NSRecursiveLock是对mutex递归锁的封装，API跟NSLock基本一致

@interface RecursiveLockDemo()
@property (nonatomic,strong) NSRecursiveLock *lock;
@end
- (void)test{
[self.lock lock];
[self doSomeThing];
[self.lock unlock];
}

NSCondition

NSCondition是对mutex和cond的封装，更加面向对象

@interface NSCondition : NSObject <NSLocking> {
- (void)wait;//用于使当前线程等待，直到接收到信号。 
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;//使当前线程等待，直到接收到信号或者指定的日期超时。
- (void)signal;//唤醒一个等待中的线程。
- (void)broadcast;//唤醒所有等待中的线程。
@property (nullable, copy) NSString *name //用于标识 NSCondition 对象的名称
@end

NSCondition 的 wait、signal 和 broadcast 方法会自动获取锁，所以你应该在调用这些方法之前先释放锁。这是因为，当你调用 wait 方法时，线程会释放锁并进入等待状态；当你调用 signal 或 broadcast 方法时，被唤醒的线程会在继续执行前自动获取锁。

#import <Foundation/Foundation.h>NSCondition *queueCondition = [[NSCondition alloc] init];
NSMutableArray *queue = [NSMutableArray array];void producer() {for (int i = 0; i < 10; i++) {[NSThread sleepForTimeInterval:1]; // 模拟耗时操作[queueCondition lock];[queue addObject:[NSNumber numberWithInt:i]];NSLog(@"Producer added item: %d", i);[queueCondition signal]; // 唤醒一个等待的消费者[queueCondition unlock];}
}void consumer() {while (TRUE) {[queueCondition lock];while ([queue count] == 0) {[queueCondition wait]; // 等待生产者添加项目}NSNumber *item = [queue objectAtIndex:0];[queue removeObjectAtIndex:0];NSLog(@"Consumer got item: %@", item);[queueCondition unlock];}
}int main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {NSThread *producerThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(producer) object:nil];NSThread *consumerThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(consumer) object:nil];[producerThread start];[consumerThread start];[producerThread join];[consumerThread join];}return 0;
}

• 一个生产者线程（producer）生成项目并将其添加到队列中，然后调用 signal 方法唤醒一个等待的消费者线程。
• 一个消费者线程（consumer）等待队列中有项目可用，一旦有项目可用，它就会从队列中取出项目并处理。

NSCondition 本身并不提供锁的功能，所以需要结合使用 NSLock 或 NSRecursiveLock 来保护临界区

NSConditionLock

NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值。它结合了互斥锁和条件变量的功能。NSConditionLock 提供了一种高级的同步机制，允许线程在等待特定条件满足时阻塞自己，而同时保持对共享资源的锁定。

@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking> {- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition;@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;
@property (nullable, copy) NSString *name;
@end

• initWithCondition：初始化Condition，并且设置状态值
• -[NSConditionLock lock]：获取锁，阻止其他线程访问受保护的资源。
• -[NSConditionLock unlock]：释放锁，允许其他线程访问受保护的资源。
• -[NSConditionLock lockWhenCondition:]：如果条件不满足，则释放锁并使当前线程等待，直到条件变为真（true），然后再次获取锁并继续执行。
• -[NSConditionLock lockWhenCondition:withTimeout:]：与 lockWhenCondition: 相同，但增加了一个超时值，如果超时时间内条件未满足，线程将恢复执行而不等待。

#import <Foundation/Foundation.h>@interface ConditionDemo : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSConditionLock *lock;
@property (nonatomic, assign) int counter;
@end@implementation ConditionDemo- (instancetype)init {self = [super init];if (self) {_lock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];_counter = 0;}return self;
}- (void)incrementCounter {[self.lock lock];if (_counter >= 10) {[self.lock lockWhenCondition:1]; // 等待条件满足}_counter++;NSLog(@"Counter incremented to: %d", _counter);[self.lock unlock];
}- (void)waitForCounterToReachTen {[self.lock lock];while (_counter < 10) {[self.lock lockWhenCondition:0]; // 等待条件满足}NSLog(@"Counter reached ten.");[self.lock unlock];
}@endint main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {ConditionDemo *demo = [[ConditionDemo alloc] init];dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);for (int i = 0; i < 20; i++) {dispatch_async(queue, ^{[demo incrementCounter];});}[demo waitForCounterToReachTen];}return 0;
}

注意：

使用 NSConditionLock 的关键点在于正确管理条件的真伪值。通常，你可以使用条件锁的构造函数初始化一个条件值，然后在代码中根据需要更新这个值。当一个线程调用 lockWhenCondition: 或 lockWhenCondition:withTimeout: 方法时，它会检查条件值，如果条件为假（false），则线程会释放锁并等待，直到另一个线程改变了条件值使其为真（true）。

@synchronized

@synchronized是一个编译器指令，对mutex递归锁的封装， @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作

@synchronized([obj]) {// 临界区代码// 这里的代码将受到保护，一次只允许一个线程执行
}

这里的 [object] 是任何 Objective-C 对象，@synchronized 将使用该对象的地址作为锁的标识。这意味着每次调用 @synchronized 并传入相同的对象时，都会使用同一个锁。如果传入不同的对象，则会使用不同的锁。

工作原理：

当一个线程进入由 @synchronized 保护的代码块时，它会尝试获取与传入对象关联的锁。如果锁当前未被其他线程持有，那么该线程将获得锁并执行临界区的代码。如果锁已被其他线程持有，那么当前线程将等待，直到锁被释放。当线程完成临界区的代码执行时，它会自动释放锁。

@synchronized的底层实现就是在开始和结束的时候调用了objc_sync_enter&objc_sync_exit方法。

int objc_sync_enter(id obj)
{
int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;if (obj) {
SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
assert(data);
data->mutex.lock();
} else {
// @synchronized(nil) does nothing
if (DebugNilSync) {
_objc_inform("NIL SYNC DEBUG: @synchronized(nil); set a breakpoint on objc_sync_nil to debug");
}
objc_sync_nil();
}return result;
}

就是根据id2data方法找到一个data对象，然后在对data对象进行mutex.lock()加锁操作。我们点击进入id2data方法继续查找

#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[obj].data
static StripedMap<SyncList> sDataLists;

发现获取data对象的方法其实就是根据sDataLists[obj].data这个方法来实现的，也就是一个哈希表。

总之就是@synchronized在底层维护了一个哈希链表进行data的存储，使用recursive_mutex_t进行加锁