Atomic原子操作原理剖析

前言

绝大部分 Objective-C 程序员使用属性时，都不太关注一个特殊的修饰前缀，一般都无脑的使用其非默认缺省的状态，他就是 atomic。

@interface PropertyClass

@property (atomic, strong)    NSObject *atomicObj;  //缺省也是atomic
@property (nonatomic, strong) NSObject *nonatomicObj;

@end

入门教程中一般都建议使用非原子操作，因为新手大部分操作都在主线程，用不到线程安全的特性，大量使用还会降低执行效率。

那他到底怎么实现线程安全的呢？使用了哪种技术呢？

原理

属性的实现

首先我们研究一下属性包含的内容。通过查阅源码，其结构如下：

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

属性的结构比较简单，包含了固定的名字和元素，可以通过 property_getName 获取属性名，property_getAttributes 获取特性。

上例中 atomicObj 的特性为 T@"NSObject",&,V_atomicObj，其中 & 代表了 strong，atomic 特性缺省没有显示，如果是 nonatomic 则显示 N。

那到底是怎么实现原子操作的呢？通过引入runtime，我们能调试一下调用的函数栈。

可以看到在编译时就把属性特性考虑进去了，Setter 方法直接调用了 objc_setProperty 的 atomic 版本。这里不用 runtime 去动态分析特性，应该是对执行性能的考虑。

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

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);//获取原值
    //根据特性拷贝
    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }
    //判断原子性
    if (!atomic) {
        //非原子直接赋值
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        //原子操作使用自旋锁
        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;
        
    // 原子操作自旋锁
    spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
    slotlock.lock();
    id value = objc_retain(*slot);
    slotlock.unlock();
    
    // 出于性能考虑，在锁之外autorelease
    return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}

什么是自旋锁呢？

锁用于解决线程争夺资源的问题，一般分为两种，自旋锁(spin)和互斥锁(mutex)。

互斥锁可以解释为线程获取锁，发现锁被占用，就向系统申请锁空闲时唤醒他并立刻休眠。

自旋锁比较简单，当线程发现锁被占用时，会不断循环判断锁的状态，直到获取。

原子操作的颗粒度最小，只限于读写，对于性能的要求很高，如果使用了互斥锁势必在切换线程上耗费大量资源。相比之下，由于读写操作耗时比较小，能够在一个时间片内完成，自旋更适合这个场景。

自旋锁的坑

但是iOS 10之后，苹果因为一个巨大的缺陷弃用了 OSSpinLock 改为新的 os_unfair_lock。

新版 iOS 中，系统维护了 5 个不同的线程优先级/QoS: background，utility，default，user-initiated，user-interactive。高优先级线程始终会在低优先级线程前执行，一个线程不会受到比它更低优先级线程的干扰。这种线程调度算法会产生潜在的优先级反转问题，从而破坏了 spin lock。

描述引用自 ibireme 大神的文章。

我的理解是，当低优先级线程获取了锁，高优先级线程访问时陷入忙等状态，由于是循环调用，所以占用了系统调度资源，导致低优先级线程迟迟不能处理资源并释放锁，导致陷入死锁。

那为什么原子操作用的还是 spinlock_t 呢？

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

class mutex_tt : nocopy_t {
    os_unfair_lock mLock; //处理了优先级的互斥锁
    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);
    }
}

差点被苹果骗了！原来系统中自旋锁已经全部改为互斥锁实现了，只是名称一直没有更改。

为了修复优先级反转的问题，苹果也只能放弃使用自旋锁，改用优化了性能的 os_unfair_lock，实际测试两者的效率差不多。

问答

atomic的实现机制

使用atomic 修饰属性，编译器会设置默认读写方法为原子读写，并使用互斥锁添加保护。

为什么不能保证绝对的线程安全？

单独的原子操作绝对是线程安全的，但是组合一起的操作就不能保证。

- (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;
      }
    });
}

最终得到的结果肯定小于20000。当获取值的时候都是原子线程安全操作，比如两个线程依序获取了当前值 0，于是分别增量后变为了 1，所以两个队列依序写入值都是 1，所以不是线程安全的。

解决的办法应该是增加颗粒度，将读写两个操作合并为一个原子操作，从而解决写入过期数据的问题。

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);
      }
    });
}

总结

通过学习属性的原子性，对系统中锁的理解又加深，包括自旋锁，互斥锁，读写锁等。

本来都以为实现是自旋锁了，还好留了个心眼多看了一层才发现最终实现还是互斥锁。这件事也给我一个小教训，查阅源码还是要刨根问底，只浮于表面的话，可能得不到想要的真相。

引用

可以编译的runtime库

不再安全的 OSSpinLock