并發(fā)所描述的概念就是同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。這些任務(wù)可能是以在單核 CPU 上分時(shí)（時(shí)間共享）的形式同時(shí)運(yùn)行，也可能是在多核 CPU 上以真正的并行方式來(lái)運(yùn)行。

OS X 和 iOS 提供了幾種不同的 API 來(lái)支持并發(fā)編程。每一個(gè) API 都具有不同的功能和使用限制，這使它們適合不同的任務(wù)。同時(shí)，這些 API 處在不同的抽象層級(jí)上。我們有可能用其進(jìn)行非常深入底層的操作，但是這也意味著背負(fù)起將任務(wù)進(jìn)行良好處理的巨大責(zé)任。

實(shí)際上，并發(fā)編程是一個(gè)很有挑戰(zhàn)的主題，它有許多錯(cuò)綜復(fù)雜的問(wèn)題和陷阱。當(dāng)開(kāi)發(fā)者在使用類似 Grand Central Dispatch（GCD）或 NSOperationQueue 的 API 時(shí)，很容易遺忘這些問(wèn)題和陷阱。本文首先對(duì) OS X 和 iOS 中不同的并發(fā)編程 API 進(jìn)行一些介紹，然后再深入了解并發(fā)編程中獨(dú)立于與你所使用的特定 API 的一些內(nèi)在挑戰(zhàn)。

OS X 和 iOS 中的并發(fā)編程

蘋(píng)果的移動(dòng)和桌面操作系統(tǒng)中提供了相同的并發(fā)編程API。 本文會(huì)介紹 pthread 、 NSThread 、GCD 、NSOperationQueue，以及 NSRunLoop。實(shí)際上把 run loop 也列在其中是有點(diǎn)奇怪，因?yàn)樗⒉荒軐?shí)現(xiàn)真正的并行，不過(guò)因?yàn)樗c并發(fā)編程有莫大的關(guān)系，因此值得我們進(jìn)行一些深入了解。

由于高層 API 是基于底層 API 構(gòu)建的，所以我們首先將從底層的 API 開(kāi)始介紹，然后逐步擴(kuò)展到高層 API。不過(guò)在具體編程中，選擇 API 的順序剛好相反：因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，選擇高層的 API 不僅可以完成底層 API 能完成的任務(wù)，而且能夠讓并發(fā)模型變得簡(jiǎn)單。

如果你對(duì)我們?yōu)楹螆?jiān)持推薦使用高抽象層級(jí)以及簡(jiǎn)單的并行代碼有所疑問(wèn)的話，那么你可以看看這篇文章的第二部分并發(fā)編程中面臨的挑戰(zhàn)，以及 Peter Steinberger 寫(xiě)的關(guān)于線程安全的文章。

線程

線程（thread）是組成進(jìn)程的子單元，操作系統(tǒng)的調(diào)度器可以對(duì)線程進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)度。實(shí)際上，所有的并發(fā)編程 API 都是構(gòu)建于線程之上的 —— 包括 GCD 和操作隊(duì)列（operation queues）。

多線程可以在單核 CPU 上同時(shí)（或者至少看作同時(shí)）運(yùn)行。操作系統(tǒng)將小的時(shí)間片分配給每一個(gè)線程，這樣就能夠讓用戶感覺(jué)到有多個(gè)任務(wù)在同時(shí)進(jìn)行。如果 CPU 是多核的，那么線程就可以真正的以并發(fā)方式被執(zhí)行，從而減少了完成某項(xiàng)操作所需要的總時(shí)間。

你可以使用 Instruments 中的 CPU strategy view 來(lái)得知你的代碼或者你在使用的框架代碼是如何在多核 CPU 中調(diào)度執(zhí)行的。

需要重點(diǎn)關(guān)注的是，你無(wú)法控制你的代碼在什么地方以及什么時(shí)候被調(diào)度，以及無(wú)法控制執(zhí)行多長(zhǎng)時(shí)間后將被暫停，以便輪換執(zhí)行別的任務(wù)。這種線程調(diào)度是非常強(qiáng)大的一種技術(shù)，但是也非常復(fù)雜，我們稍后研究。

先把線程調(diào)度的復(fù)雜情況放一邊，開(kāi)發(fā)者可以使用 POSIX 線程 API，或者 Objective-C 中提供的對(duì)該 API 的封裝 NSThread，來(lái)創(chuàng)建自己的線程。下面這個(gè)小示例利用 pthread 來(lái)在一百萬(wàn)個(gè)數(shù)字中查找最小值和最大值。其中并發(fā)執(zhí)行了 4 個(gè)線程。從該示例復(fù)雜的代碼中，應(yīng)該可以看出為什么你不會(huì)希望直接使用 pthread 。

#import <pthread.h>

struct threadInfo {
    uint32_t * inputValues;
    size_t count;
};

struct threadResult {
    uint32_t min;
    uint32_t max;
};

void * findMinAndMax(void *arg)
{
    struct threadInfo const * const info = (struct threadInfo *) arg;
    uint32_t min = UINT32_MAX;
    uint32_t max = 0;
    for (size_t i = 0; i < info->count; ++i) {
        uint32_t v = info->inputValues[i];
        min = MIN(min, v);
        max = MAX(max, v);
    }
    free(arg);
    struct threadResult * const result = (struct threadResult *) malloc(sizeof(*result));
    result->min = min;
    result->max = max;
    return result;
}

int main(int argc, const char * argv[])
{
    size_t const count = 1000000;
    uint32_t inputValues[count];

    // 使用隨機(jī)數(shù)字填充 inputValues
    for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
        inputValues[i] = arc4random();
    }

    // 開(kāi)始4個(gè)尋找最小值和最大值的線程
    size_t const threadCount = 4;
    pthread_t tid[threadCount];
    for (size_t i = 0; i < threadCount; ++i) {
        struct threadInfo * const info = (struct threadInfo *) malloc(sizeof(*info));
        size_t offset = (count / threadCount) * i;
        info->inputValues = inputValues + offset;
        info->count = MIN(count - offset, count / threadCount);
        int err = pthread_create(tid + i, NULL, &findMinAndMax, info);
        NSCAssert(err == 0, @"pthread_create() failed: %d", err);
    }
    // 等待線程退出
    struct threadResult * results[threadCount];
    for (size_t i = 0; i < threadCount; ++i) {
        int err = pthread_join(tid[i], (void **) &(results[i]));
        NSCAssert(err == 0, @"pthread_join() failed: %d", err);
    }
    // 尋找 min 和 max
    uint32_t min = UINT32_MAX;
    uint32_t max = 0;
    for (size_t i = 0; i < threadCount; ++i) {
        min = MIN(min, results[i]->min);
        max = MAX(max, results[i]->max);
        free(results[i]);
        results[i] = NULL;
    }

    NSLog(@"min = %u", min);
    NSLog(@"max = %u", max);
    return 0;
}

NSThread 是 Objective-C 對(duì) pthread 的一個(gè)封裝。通過(guò)封裝，在 Cocoa 環(huán)境中，可以讓代碼看起來(lái)更加親切。例如，開(kāi)發(fā)者可以利用 NSThread 的一個(gè)子類來(lái)定義一個(gè)線程，在這個(gè)子類的中封裝需要在后臺(tái)線程運(yùn)行的代碼。針對(duì)上面的那個(gè)例子，我們可以定義一個(gè)這樣的 NSThread 子類：

@interface FindMinMaxThread : NSThread
@property (nonatomic) NSUInteger min;
@property (nonatomic) NSUInteger max;
- (instancetype)initWithNumbers:(NSArray *)numbers;
@end

@implementation FindMinMaxThread {
    NSArray *_numbers;
}

- (instancetype)initWithNumbers:(NSArray *)numbers
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _numbers = numbers;
    }
    return self;
}

- (void)main
{
    NSUInteger min;
    NSUInteger max;
    // 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理
    self.min = min;
    self.max = max;
}
@end

要想啟動(dòng)一個(gè)新的線程，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線程對(duì)象，然后調(diào)用它的 start 方法：

NSMutableSet *threads = [NSMutableSet set];
NSUInteger numberCount = self.numbers.count;
NSUInteger threadCount = 4;
for (NSUInteger i = 0; i < threadCount; i++) {
    NSUInteger offset = (count / threadCount) * i;
    NSUInteger count = MIN(numberCount - offset, numberCount / threadCount);
    NSRange range = NSMakeRange(offset, count);
    NSArray *subset = [self.numbers subarrayWithRange:range];
    FindMinMaxThread *thread = [[FindMinMaxThread alloc] initWithNumbers:subset];
    [threads addObject:thread];
    [thread start];
}

現(xiàn)在，我們可以通過(guò)檢測(cè)到線程的 isFinished 屬性來(lái)檢測(cè)新生成的線程是否已經(jīng)結(jié)束，并獲取結(jié)果。我們將這個(gè)練習(xí)留給感興趣的讀者，這主要是因?yàn)椴徽撌褂?pthread 還是 NSThread 來(lái)直接對(duì)線程操作，都是相對(duì)糟糕的編程體驗(yàn)，這種方式并不適合我們以寫(xiě)出良好代碼為目標(biāo)的編碼精神。

直接使用線程可能會(huì)引發(fā)的一個(gè)問(wèn)題是，如果你的代碼和所基于的框架代碼都創(chuàng)建自己的線程時(shí)，那么活動(dòng)的線程數(shù)量有可能以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這在大型工程中是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。例如，在 8 核 CPU 中，你創(chuàng)建了 8 個(gè)線程來(lái)完全發(fā)揮 CPU 性能。然而在這些線程中你的代碼所調(diào)用的框架代碼也做了同樣事情（因?yàn)樗⒉恢滥阋呀?jīng)創(chuàng)建的這些線程），這樣會(huì)很快產(chǎn)生成成百上千的線程。代碼的每個(gè)部分自身都沒(méi)有問(wèn)題，然而最后卻還是導(dǎo)致了問(wèn)題。使用線程并不是沒(méi)有代價(jià)的，每個(gè)線程都會(huì)消耗一些內(nèi)存和內(nèi)核資源。

接下來(lái)，我們將介紹兩個(gè)基于隊(duì)列的并發(fā)編程 API ：GCD 和 operation queue 。它們通過(guò)集中管理一個(gè)被大家協(xié)同使用的線程池，來(lái)解決上面遇到的問(wèn)題。

Grand Central Dispatch

為了讓開(kāi)發(fā)者更加容易的使用設(shè)備上的多核CPU，蘋(píng)果在 OS X 10.6 和 iOS 4 中引入了 Grand Central Dispatch（GCD）。在下一篇關(guān)于底層并發(fā) API 的文章中，我們將更深入地介紹 GCD。

通過(guò) GCD，開(kāi)發(fā)者不用再直接跟線程打交道了，只需要向隊(duì)列中添加代碼塊即可，GCD 在后端管理著一個(gè)線程池。GCD 不僅決定著你的代碼塊將在哪個(gè)線程被執(zhí)行，它還根據(jù)可用的系統(tǒng)資源對(duì)這些線程進(jìn)行管理。這樣可以將開(kāi)發(fā)者從線程管理的工作中解放出來(lái)，通過(guò)集中的管理線程，來(lái)緩解大量線程被創(chuàng)建的問(wèn)題。

GCD 帶來(lái)的另一個(gè)重要改變是，作為開(kāi)發(fā)者可以將工作考慮為一個(gè)隊(duì)列，而不是一堆線程，這種并行的抽象模型更容易掌握和使用。

GCD 公開(kāi)有 5 個(gè)不同的隊(duì)列：運(yùn)行在主線程中的 main queue，3 個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的后臺(tái)隊(duì)列，以及一個(gè)優(yōu)先級(jí)更低的后臺(tái)隊(duì)列（用于 I/O）。 另外，開(kāi)發(fā)者可以創(chuàng)建自定義隊(duì)列：串行或者并行隊(duì)列。自定義隊(duì)列非常強(qiáng)大，在自定義隊(duì)列中被調(diào)度的所有 block 最終都將被放入到系統(tǒng)的全局隊(duì)列中和線程池中。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/2-1.png" alt="GCD queues" />

使用不同優(yōu)先級(jí)的若干個(gè)隊(duì)列乍聽(tīng)起來(lái)非常直接，不過(guò)，我們強(qiáng)烈建議，在絕大多數(shù)情況下使用默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列就可以了。如果執(zhí)行的任務(wù)需要訪問(wèn)一些共享的資源，那么在不同優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列中調(diào)度這些任務(wù)很快就會(huì)造成不可預(yù)期的行為。這樣可能會(huì)引起程序的完全掛起，因?yàn)榈蛢?yōu)先級(jí)的任務(wù)阻塞了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，使它不能被執(zhí)行。更多相關(guān)內(nèi)容，在本文的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)部分中會(huì)有介紹。

雖然 GCD 是一個(gè)低層級(jí)的 C API ，但是它使用起來(lái)非常的直接。不過(guò)這也容易使開(kāi)發(fā)者忘記并發(fā)編程中的許多注意事項(xiàng)和陷阱。讀者可以閱讀本文后面的并發(fā)編程中面臨的挑戰(zhàn)，這樣可以注意到一些潛在的問(wèn)題。本期的另外一篇優(yōu)秀文章：底層并發(fā) API 中，包含了很多深入的解釋和一些有價(jià)值的提示。

Operation Queues

操作隊(duì)列（operation queue）是由 GCD 提供的一個(gè)隊(duì)列模型的 Cocoa 抽象。GCD 提供了更加底層的控制，而操作隊(duì)列則在 GCD 之上實(shí)現(xiàn)了一些方便的功能，這些功能對(duì)于 app 的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)通常是最好最安全的選擇。

NSOperationQueue 有兩種不同類型的隊(duì)列：主隊(duì)列和自定義隊(duì)列。主隊(duì)列運(yùn)行在主線程之上，而自定義隊(duì)列在后臺(tái)執(zhí)行。在兩種類型中，這些隊(duì)列所處理的任務(wù)都使用 NSOperation 的子類來(lái)表述。

你可以通過(guò)重寫(xiě) main 或者 start 方法 來(lái)定義自己的 operations 。前一種方法非常簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)者不需要管理一些狀態(tài)屬性（例如 isExecuting 和 isFinished），當(dāng) main 方法返回的時(shí)候，這個(gè) operation 就結(jié)束了。這種方式使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是靈活性相對(duì)重寫(xiě) start 來(lái)說(shuō)要少一些。

@implementation YourOperation
    - (void)main
    {
        // 進(jìn)行處理 ...
    }
@end

如果你希望擁有更多的控制權(quán)，以及在一個(gè)操作中可以執(zhí)行異步任務(wù)，那么就重寫(xiě) start 方法：

@implementation YourOperation
    - (void)start
    {
        self.isExecuting = YES;
        self.isFinished = NO;
        // 開(kāi)始處理，在結(jié)束時(shí)應(yīng)該調(diào)用 finished ...
    }

    - (void)finished
    {
        self.isExecuting = NO;
        self.isFinished = YES;
    }
@end

注意：這種情況下，你必須手動(dòng)管理操作的狀態(tài)。 為了讓操作隊(duì)列能夠捕獲到操作的改變，需要將狀態(tài)的屬性以配合 KVO 的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。如果你不使用它們默認(rèn)的 setter 來(lái)進(jìn)行設(shè)置的話，你就需要在合適的時(shí)候發(fā)送合適的 KVO 消息。

為了能使用操作隊(duì)列所提供的取消功能，你需要在長(zhǎng)時(shí)間操作中時(shí)不時(shí)地檢查 isCancelled 屬性：

- (void)main
{
    while (notDone && !self.isCancelled) {
        // 進(jìn)行處理
    }
}

當(dāng)你定義好 operation 類之后，就可以很容易的將一個(gè) operation 添加到隊(duì)列中：

NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
YourOperation *operation = [[YourOperation alloc] init];
[queue  addOperation:operation];

另外，你也可以將 block 添加到操作隊(duì)列中。這有時(shí)候會(huì)非常的方便，比如你希望在主隊(duì)列中調(diào)度一個(gè)一次性任務(wù)：

[[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{
    // 代碼...
}];

雖然通過(guò)這種的方式在隊(duì)列中添加操作會(huì)非常方便，但是定義你自己的 NSOperation 子類會(huì)在調(diào)試時(shí)很有幫助。如果你重寫(xiě) operation 的description 方法，就可以很容易的標(biāo)示出在某個(gè)隊(duì)列中當(dāng)前被調(diào)度的所有操作 。

除了提供基本的調(diào)度操作或 block 外，操作隊(duì)列還提供了在 GCD 中不太容易處理好的特性的功能。例如，你可以通過(guò) maxConcurrentOperationCount 屬性來(lái)控制一個(gè)特定隊(duì)列中可以有多少個(gè)操作參與并發(fā)執(zhí)行。將其設(shè)置為 1 的話，你將得到一個(gè)串行隊(duì)列，這在以隔離為目的的時(shí)候會(huì)很有用。

另外還有一個(gè)方便的功能就是根據(jù)隊(duì)列中 operation 的優(yōu)先級(jí)對(duì)其進(jìn)行排序，這不同于 GCD 的隊(duì)列優(yōu)先級(jí)，它只影響當(dāng)前隊(duì)列中所有被調(diào)度的 operation 的執(zhí)行先后。如果你需要進(jìn)一步在除了 5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級(jí)以外對(duì) operation 的執(zhí)行順序進(jìn)行控制的話，還可以在 operation 之間指定依賴關(guān)系，如下：

[intermediateOperation addDependency:operation1];
[intermediateOperation addDependency:operation2];
[finishedOperation addDependency:intermediateOperation];

這些簡(jiǎn)單的代碼可以確保 operation1 和 operation2 在 intermediateOperation 之前執(zhí)行，當(dāng)然，也會(huì)在 finishOperation 之前被執(zhí)行。對(duì)于需要明確的執(zhí)行順序時(shí)，操作依賴是非常強(qiáng)大的一個(gè)機(jī)制。它可以讓你創(chuàng)建一些操作組，并確保這些操作組在依賴它們的操作被執(zhí)行之前執(zhí)行，或者在并發(fā)隊(duì)列中以串行的方式執(zhí)行操作。

從本質(zhì)上來(lái)看，操作隊(duì)列的性能比 GCD 要低那么一點(diǎn)，不過(guò)，大多數(shù)情況下這點(diǎn)負(fù)面影響可以忽略不計(jì)，操作隊(duì)列是并發(fā)編程的首選工具。

Run Loops

實(shí)際上，Run loop并不像 GCD 或者操作隊(duì)列那樣是一種并發(fā)機(jī)制，因?yàn)樗⒉荒懿⑿袌?zhí)行任務(wù)。不過(guò)在主 dispatch/operation 隊(duì)列中， run loop 將直接配合任務(wù)的執(zhí)行，它提供了一種異步執(zhí)行代碼的機(jī)制。

Run loop 比起操作隊(duì)列或者 GCD 來(lái)說(shuō)容易使用得多，因?yàn)橥ㄟ^(guò) run loop ，你不必處理并發(fā)中的復(fù)雜情況，就能異步地執(zhí)行任務(wù)。

一個(gè) run loop 總是綁定到某個(gè)特定的線程中。main run loop 是與主線程相關(guān)的，在每一個(gè) Cocoa 和 CocoaTouch 程序中，這個(gè) main run loop 都扮演了一個(gè)核心角色，它負(fù)責(zé)處理 UI 事件、計(jì)時(shí)器，以及其它內(nèi)核相關(guān)事件。無(wú)論你什么時(shí)候設(shè)置計(jì)時(shí)器、使用 NSURLConnection 或者調(diào)用 performSelector:withObject:afterDelay:，其實(shí)背后都是 run loop 在處理這些異步任務(wù)。

無(wú)論何時(shí)你使用 run loop 來(lái)執(zhí)行一個(gè)方法的時(shí)候，都需要記住一點(diǎn)：run loop 可以運(yùn)行在不同的模式中，每種模式都定義了一組事件，供 run loop 做出響應(yīng)。這在對(duì)應(yīng) main run loop 中暫時(shí)性的將某個(gè)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行這種任務(wù)上是一種聰明的做法。

關(guān)于這點(diǎn)，在 iOS 中非常典型的一個(gè)示例就是滾動(dòng)。在進(jìn)行滾動(dòng)時(shí)，run loop 并不是運(yùn)行在默認(rèn)模式中的，因此， run loop 此時(shí)并不會(huì)響應(yīng)比如滾動(dòng)前設(shè)置的計(jì)時(shí)器。一旦滾動(dòng)停止了，run loop 會(huì)回到默認(rèn)模式，并執(zhí)行添加到隊(duì)列中的相關(guān)事件。如果在滾動(dòng)時(shí)，希望計(jì)時(shí)器能被觸發(fā)，需要將其設(shè)為 NSRunLoopCommonModes 的模式，并添加到 run loop 中。

主線程一般來(lái)說(shuō)都已經(jīng)配置好了 main run loop。然而其他線程默認(rèn)情況下都沒(méi)有設(shè)置 run loop。你也可以自行為其他線程設(shè)置 run loop ，但是一般來(lái)說(shuō)我們很少需要這么做。大多數(shù)時(shí)間使用 main run loop 會(huì)容易得多。如果你需要處理一些很重的工作，但是又不想在主線程里做，你仍然可以在你的代碼在 main run loop 中被調(diào)用后將工作分配給其他隊(duì)列。Chris 在他關(guān)于常見(jiàn)的后臺(tái)實(shí)踐的文章里闡述了一些關(guān)于這種模式的很好的例子。

如果你真需要在別的線程中添加一個(gè) run loop ，那么不要忘記在 run loop 中至少添加一個(gè) input source 。如果 run loop 中沒(méi)有設(shè)置好的 input source，那么每次運(yùn)行這個(gè) run loop ，它都會(huì)立即退出。

并發(fā)編程中面臨的挑戰(zhàn)

使用并發(fā)編程會(huì)帶來(lái)許多陷阱。只要一旦你做的事情超過(guò)了最基本的情況，對(duì)于并發(fā)執(zhí)行的多任務(wù)之間的相互影響的不同狀態(tài)的監(jiān)視就會(huì)變得異常困難。 問(wèn)題往往發(fā)生在一些不確定性（不可預(yù)見(jiàn)性）的地方，這使得在調(diào)試相關(guān)并發(fā)代碼時(shí)更加困難。

關(guān)于并發(fā)編程的不可預(yù)見(jiàn)性有一個(gè)非常有名的例子：在1995年， NASA (美國(guó)宇航局)發(fā)送了開(kāi)拓者號(hào)火星探測(cè)器，但是當(dāng)探測(cè)器成功著陸在我們紅色的鄰居星球后不久，任務(wù)嘎然而止，火星探測(cè)器莫名其妙的不停重啟，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，遇到的這種現(xiàn)象被定為為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)低優(yōu)先級(jí)的線程一直阻塞著高優(yōu)先級(jí)的線程。稍后我們會(huì)看到關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的更多細(xì)節(jié)。在這里我們想說(shuō)明的是，即使擁有豐富的資源和大量?jī)?yōu)秀工程師的智慧，并發(fā)也還是會(huì)在不少情況下反咬你你一口。

資源共享

并發(fā)編程中許多問(wèn)題的根源就是在多線程中訪問(wèn)共享資源。資源可以是一個(gè)屬性、一個(gè)對(duì)象，通用的內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者一個(gè)文件等等。在多線程中任何一個(gè)共享的資源都可能是一個(gè)潛在的沖突點(diǎn)，你必須精心設(shè)計(jì)以防止這種沖突的發(fā)生。

為了演示這類問(wèn)題，我們舉一個(gè)關(guān)于資源的簡(jiǎn)單示例：比如僅僅用一個(gè)整型值來(lái)做計(jì)數(shù)器。在程序運(yùn)行過(guò)程中，我們有兩個(gè)并行線程 A 和 B，這兩個(gè)線程都嘗試著同時(shí)增加計(jì)數(shù)器的值。問(wèn)題來(lái)了，你通過(guò) C 語(yǔ)言或 Objective-C 寫(xiě)的代碼大多數(shù)情況下對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō)不會(huì)僅僅是一條機(jī)器指令。要想增加計(jì)數(shù)器的值，當(dāng)前的必須被從內(nèi)存中讀出，然后增加計(jì)數(shù)器的值，最后還需要將這個(gè)增加后的值寫(xiě)回內(nèi)存中。

我們可以試著想一下，如果兩個(gè)線程同時(shí)做上面涉及到的操作，會(huì)發(fā)生怎樣的偶然。例如，線程 A 和 B 都從內(nèi)存中讀取出了計(jì)數(shù)器的值，假設(shè)為 17 ，然后線程A將計(jì)數(shù)器的值加1，并將結(jié)果 18 寫(xiě)回到內(nèi)存中。同時(shí)，線程B也將計(jì)數(shù)器的值加 1 ，并將結(jié)果 18 寫(xiě)回到內(nèi)存中。實(shí)際上，此時(shí)計(jì)數(shù)器的值已經(jīng)被破壞掉了，因?yàn)橛?jì)數(shù)器的值 17 被加 1 了兩次，而它的值卻是 18。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/2-2.png" alt="競(jìng)態(tài)條件" />

這個(gè)問(wèn)題被叫做競(jìng)態(tài)條件，在多線程里面訪問(wèn)一個(gè)共享的資源，如果沒(méi)有一種機(jī)制來(lái)確保在線程 A 結(jié)束訪問(wèn)一個(gè)共享資源之前，線程 B 就不會(huì)開(kāi)始訪問(wèn)該共享資源的話，資源競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題就總是會(huì)發(fā)生。如果你所寫(xiě)入內(nèi)存的并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的整數(shù)，而是一個(gè)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可能會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程正在寫(xiě)入這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，第二個(gè)線程卻嘗試讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么獲取到的數(shù)據(jù)可能是新舊參半或者沒(méi)有初始化。為了防止出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，多線程需要一種互斥的機(jī)制來(lái)訪問(wèn)共享資源。

在實(shí)際的開(kāi)發(fā)中，情況甚至要比上面介紹的更加復(fù)雜，因?yàn)楝F(xiàn)代 CPU 為了優(yōu)化目的，往往會(huì)改變向內(nèi)存讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的順序（亂序執(zhí)行）。

互斥鎖

互斥訪問(wèn)的意思就是同一時(shí)刻，只允許一個(gè)線程訪問(wèn)某個(gè)特定資源。為了保證這一點(diǎn)，每個(gè)希望訪問(wèn)共享資源的線程，首先需要獲得一個(gè)共享資源的互斥鎖，一旦某個(gè)線程對(duì)資源完成了操作，就釋放掉這個(gè)互斥鎖，這樣別的線程就有機(jī)會(huì)訪問(wèn)該共享資源了。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/2-3.png" alt="互斥鎖" />

除了確保互斥訪問(wèn)，還需要解決代碼無(wú)序執(zhí)行所帶來(lái)的問(wèn)題。如果不能確保 CPU 訪問(wèn)內(nèi)存的順序跟編程時(shí)的代碼指令一樣，那么僅僅依靠互斥訪問(wèn)是不夠的。為了解決由 CPU 的優(yōu)化策略引起的副作用，還需要引入內(nèi)存屏障。通過(guò)設(shè)置內(nèi)存屏障，來(lái)確保沒(méi)有無(wú)序執(zhí)行的指令能跨過(guò)屏障而執(zhí)行。

當(dāng)然，互斥鎖自身的實(shí)現(xiàn)是需要沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)條件的。這實(shí)際上是非常重要的一個(gè)保證，并且需要在現(xiàn)代 CPU 上使用特殊的指令。更多關(guān)于原子操作（atomic operation）的信息，請(qǐng)閱讀 Daniel 寫(xiě)的文章：底層并發(fā)技術(shù)。

從語(yǔ)言層面來(lái)說(shuō)，在 Objective-C 中將屬性以 atomic 的形式來(lái)聲明，就能支持互斥鎖了。事實(shí)上在默認(rèn)情況下，屬性就是 atomic 的。將一個(gè)屬性聲明為 atomic 表示每次訪問(wèn)該屬性都會(huì)進(jìn)行隱式的加鎖和解鎖操作。雖然最把穩(wěn)的做法就是將所有的屬性都聲明為 atomic，但是加解鎖這也會(huì)付出一定的代價(jià)。

在資源上的加鎖會(huì)引發(fā)一定的性能代價(jià)。獲取鎖和釋放鎖的操作本身也需要沒(méi)有競(jìng)態(tài)條件，這在多核系統(tǒng)中是很重要的。另外，在獲取鎖的時(shí)候，線程有時(shí)候需要等待，因?yàn)榭赡芷渌木€程已經(jīng)獲取過(guò)資源的鎖了。這種情況下，線程會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)其它線程釋放掉相關(guān)資源的鎖時(shí)，休眠的線程會(huì)得到通知。所有這些相關(guān)操作都是非常昂貴且復(fù)雜的。

鎖也有不同的類型。當(dāng)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，有些鎖在沒(méi)有鎖競(jìng)爭(zhēng)的情況下性能很好，但是在有鎖的競(jìng)爭(zhēng)情況下，性能就會(huì)大打折扣。另外一些鎖則在基本層面上就比較耗費(fèi)資源，但是在競(jìng)爭(zhēng)情況下，性能的惡化會(huì)沒(méi)那么厲害。(鎖的競(jìng)爭(zhēng)是這樣產(chǎn)生的：當(dāng)一個(gè)或者多個(gè)線程嘗試獲取一個(gè)已經(jīng)被別的線程獲取過(guò)了的鎖)。

在這里有一個(gè)東西需要進(jìn)行權(quán)衡：獲取和釋放鎖所是要帶來(lái)開(kāi)銷的，因此你需要確保你不會(huì)頻繁地進(jìn)入和退出臨界區(qū)段（比如獲取和釋放鎖）。同時(shí)，如果你獲取鎖之后要執(zhí)行一大段代碼，這將帶來(lái)鎖競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)險(xiǎn)：其它線程可能必須等待獲取資源鎖而無(wú)法工作。這并不是一項(xiàng)容易解決的任務(wù)。

我們經(jīng)常能看到本來(lái)計(jì)劃并行運(yùn)行的代碼，但實(shí)際上由于共享資源中配置了相關(guān)的鎖，所以同一時(shí)間只有一個(gè)線程是處于激活狀態(tài)的。對(duì)于你的代碼會(huì)如何在多核上運(yùn)行的預(yù)測(cè)往往十分重要，你可以使用 Instrument 的 CPU strategy view 來(lái)檢查是否有效的利用了 CPU 的可用核數(shù)，進(jìn)而得出更好的想法，以此來(lái)優(yōu)化代碼。

死鎖

互斥鎖解決了競(jìng)態(tài)條件的問(wèn)題，但很不幸同時(shí)這也引入了一些其他問(wèn)題，其中一個(gè)就是死鎖。當(dāng)多個(gè)線程在相互等待著對(duì)方的結(jié)束時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖，這時(shí)程序可能會(huì)被卡住。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/2-4.png" alt="死鎖" />

看看下面的代碼，它交換兩個(gè)變量的值：

void swap(A, B)
{
    lock(lockA);
    lock(lockB);
    int a = A;
    int b = B;
    A = b;
    B = a;
    unlock(lockB);
    unlock(lockA);
}

大多數(shù)時(shí)候，這能夠正常運(yùn)行。但是當(dāng)兩個(gè)線程使用相反的值來(lái)同時(shí)調(diào)用上面這個(gè)方法時(shí)：

swap(X, Y); // 線程 1
swap(Y, X); // 線程 2

此時(shí)程序可能會(huì)由于死鎖而被終止。線程 1 獲得了 X 的一個(gè)鎖，線程 2 獲得了 Y 的一個(gè)鎖。 接著它們會(huì)同時(shí)等待另外一把鎖，但是永遠(yuǎn)都不會(huì)獲得。

再說(shuō)一次，你在線程之間共享的資源越多，你使用的鎖也就越多，同時(shí)程序被死鎖的概率也會(huì)變大。這也是為什么我們需要盡量減少線程間資源共享，并確保共享的資源盡量簡(jiǎn)單的原因之一。建議閱讀一下底層并發(fā)編程 API 中的全部使用異步分發(fā)一節(jié)。

資源饑餓（Starvation）

當(dāng)你認(rèn)為已經(jīng)足夠了解并發(fā)編程面臨的問(wèn)題時(shí)，又出現(xiàn)了一個(gè)新的問(wèn)題。鎖定的共享資源會(huì)引起讀寫(xiě)問(wèn)題。大多數(shù)情況下，限制資源一次只能有一個(gè)線程進(jìn)行讀取訪問(wèn)其實(shí)是非常浪費(fèi)的。因此，在資源上沒(méi)有寫(xiě)入鎖的時(shí)候，持有一個(gè)讀取鎖是被允許的。這種情況下，如果一個(gè)持有讀取鎖的線程在等待獲取寫(xiě)入鎖的時(shí)候，其他希望讀取資源的線程則因?yàn)闊o(wú)法獲得這個(gè)讀取鎖而導(dǎo)致資源饑餓的發(fā)生。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要使用一個(gè)比簡(jiǎn)單的讀/寫(xiě)鎖更聰明的方法，例如給定一個(gè) writer preference，或者使用 read-copy-update 算法。Daniel 在底層并發(fā)編程 API 中有介紹了如何用 GCD 實(shí)現(xiàn)一個(gè)多讀取單寫(xiě)入的模式，這樣就不會(huì)被寫(xiě)入資源饑餓的問(wèn)題困擾了。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

本節(jié)開(kāi)頭介紹了美國(guó)宇航局發(fā)射的開(kāi)拓者號(hào)火星探測(cè)器在火星上遇到的并發(fā)問(wèn)題。現(xiàn)在我們就來(lái)看看為什么開(kāi)拓者號(hào)幾近失敗，以及為什么有時(shí)候我們的程序也會(huì)遇到相同的問(wèn)題，該死的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是指程序在運(yùn)行時(shí)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)阻塞了高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，有效的反轉(zhuǎn)了任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。由于 GCD 提供了擁有不同優(yōu)先級(jí)的后臺(tái)隊(duì)列，甚至包括一個(gè) I/O 隊(duì)列，所以我們最好了解一下優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的可能性。

高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間共享資源時(shí)，就可能發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)的任務(wù)獲得了共享資源的鎖時(shí)，該任務(wù)應(yīng)該迅速完成，并釋放掉鎖，這樣高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就可以在沒(méi)有明顯延時(shí)的情況下繼續(xù)執(zhí)行。然而高優(yōu)先級(jí)任務(wù)會(huì)在低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)持有鎖的期間被阻塞。如果這時(shí)候有一個(gè)中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)(該任務(wù)不需要那個(gè)共享資源)，那么它就有可能會(huì)搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)而被執(zhí)行，因?yàn)榇藭r(shí)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)是被阻塞的，所以中優(yōu)先級(jí)任務(wù)是目前所有可運(yùn)行任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的。此時(shí)，中優(yōu)先級(jí)任務(wù)就會(huì)阻塞著低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)任務(wù)不能釋放掉鎖，這也就會(huì)引起高優(yōu)先級(jí)任務(wù)一直在等待鎖的釋放。

http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/2-5.png" alt="優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)" />

在你的實(shí)際代碼中，可能不會(huì)像發(fā)生在火星的事情那樣戲劇性地不停重啟。遇到優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)時(shí)，一般沒(méi)那么嚴(yán)重。

解決這個(gè)問(wèn)題的方法，通常就是不要使用不同的優(yōu)先級(jí)。通常最后你都會(huì)以讓高優(yōu)先級(jí)的代碼等待低優(yōu)先級(jí)的代碼來(lái)解決問(wèn)題。當(dāng)你使用 GCD 時(shí)，總是使用默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列（直接使用，或者作為目標(biāo)隊(duì)列）。如果你使用不同的優(yōu)先級(jí)，很可能實(shí)際情況會(huì)讓事情變得更糟糕。

從中得到的教訓(xùn)是，使用不同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)隊(duì)列聽(tīng)起來(lái)雖然不錯(cuò)，但畢竟是紙上談兵。它將讓本來(lái)就復(fù)雜的并行編程變得更加復(fù)雜和不可預(yù)見(jiàn)。如果你在編程中，遇到高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)突然沒(méi)理由地卡住了，可能你會(huì)想起本文，以及那個(gè)美國(guó)宇航局的工程師也遇到過(guò)的被稱為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

總結(jié)

我們希望通過(guò)本文你能夠了解到并發(fā)編程帶來(lái)的復(fù)雜性和相關(guān)問(wèn)題。并發(fā)編程中，無(wú)論是看起來(lái)多么簡(jiǎn)單的 API ，它們所能產(chǎn)生的問(wèn)題會(huì)變得非常的難以觀測(cè)，而且要想調(diào)試這類問(wèn)題往往也都是非常困難的。

但另一方面，并發(fā)實(shí)際上是一個(gè)非常棒的工具。它充分利用了現(xiàn)代多核 CPU 的強(qiáng)大計(jì)算能力。在開(kāi)發(fā)中，關(guān)鍵的一點(diǎn)就是盡量讓并發(fā)模型保持簡(jiǎn)單，這樣可以限制所需要的鎖的數(shù)量。

我們建議采納的安全模式是這樣的：從主線程中提取出要使用到的數(shù)據(jù)，并利用一個(gè)操作隊(duì)列在后臺(tái)處理相關(guān)的數(shù)據(jù)，最后回到主隊(duì)列中來(lái)發(fā)送你在后臺(tái)隊(duì)列中得到的結(jié)果。使用這種方式，你不需要自己做任何鎖操作，這也就大大減少了犯錯(cuò)誤的幾率。