iOS @synchronized() 底層原理探索

多個(gè)@synchronized() 嵌套，沒(méi)有意義也不會(huì)報(bào)錯(cuò)；是objc中提供的同步鎖，支持遞歸。但是在swift中刪除了，可以使用objc_sync替代。

讀完本文你可以了解到synchronized的實(shí)現(xiàn)原理

我們今天重點(diǎn)討論一下下面幾個(gè)問(wèn)題

1. synchronized 的 obj 為 nil 會(huì)怎么樣
2. synchronized 會(huì)影響obj嗎
3. synchronized 和 pthread_mutex 以及objc_sync 的關(guān)系

我們驗(yàn)證一下嵌套

創(chuàng)建一個(gè)Person類(lèi)，里面一個(gè)run方法

- (void)run {
    @synchronized (self) {
        NSLog(@"s1");
        @synchronized (self) {
            NSLog(@"s2");
        }
    }
}

執(zhí)行之后發(fā)現(xiàn)都是正常打印

swift和OC分別實(shí)現(xiàn)方式

///objc
@synchronized(self) {
    //action
}

///swift
objc_sync_enter(self)
//action
objc_sync_exit(self)

生成runtime代碼查看底層實(shí)現(xiàn)

Person類(lèi)改為如下內(nèi)容

- (void)run {
    @synchronized (self) {
        NSLog(@"s1");
    }
}

然后將Person轉(zhuǎn)為C++代碼 clang -x objective-c -rewrite-objc Person.m

打開(kāi)Person.cpp文件找到以下c++的代碼

static void _I_Person_run(Person * self, SEL _cmd) {
    { id _rethrow = 0; id _sync_obj = (id)self; objc_sync_enter(_sync_obj);
        try {
            struct _SYNC_EXIT { _SYNC_EXIT(id arg) : sync_exit(arg) {}
                ~_SYNC_EXIT() {objc_sync_exit(sync_exit);}
                id sync_exit;
            } _sync_exit(_sync_obj);
            
            NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1m_kzn6dnx501b1x94s5bwpxjrw0000gn_T_Person_e7a30b_mi_0);
            { id _rethrow = 0; id _sync_obj = (id)self; objc_sync_enter(_sync_obj);
                try {
                    struct _SYNC_EXIT { _SYNC_EXIT(id arg) : sync_exit(arg) {}
                        ~_SYNC_EXIT() {objc_sync_exit(sync_exit);}
                        id sync_exit;
                    } _sync_exit(_sync_obj);
                    
                    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1m_kzn6dnx501b1x94s5bwpxjrw0000gn_T_Person_e7a30b_mi_1);
                } catch (id e) {_rethrow = e;}
                { struct _FIN { _FIN(id reth) : rethrow(reth) {}
                    ~_FIN() { if (rethrow) objc_exception_throw(rethrow); }
                    id rethrow;
                } _fin_force_rethow(_rethrow);}
            }
            
        } catch (id e) {_rethrow = e;}
        { struct _FIN { _FIN(id reth) : rethrow(reth) {}
            ~_FIN() { if (rethrow) objc_exception_throw(rethrow); }
            id rethrow;
        } _fin_force_rethow(_rethrow);}
    }
}

synchronized調(diào)用了try catch，內(nèi)部調(diào)用了objc_sync_enter和objc_sync_exit。這兩個(gè)函數(shù)又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

objc_sync_enter & objc_sync_exit

我們翻閱objc4源碼，在objc-sync.mm文件中，找到了具體實(shí)現(xiàn)

// Begin synchronizing on 'obj'. 
// Allocates recursive mutex associated with 'obj' if needed.
// Returns OBJC_SYNC_SUCCESS once lock is acquired.  
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;
}
// End synchronizing on 'obj'. 
// Returns OBJC_SYNC_SUCCESS or OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR
int objc_sync_exit(id obj)
{
    int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
    
    if (obj) {
        SyncData* data = id2data(obj, RELEASE); 
        if (!data) {
            result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
        } else {
            bool okay = data->mutex.tryUnlock();
            if (!okay) {
                result = OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR;
            }
        }
    } else {
        // @synchronized(nil) does nothing
    }
 

    return result;
}

仔細(xì)看objc_sync_enter這段源碼和注釋?zhuān)芮宄枋隽诉@個(gè)函數(shù)的作用：1.在obj上開(kāi)始同步鎖 2.obj為nil，加鎖不會(huì)成功 3.obj不是nil，初始化遞歸互斥鎖（recursive mutex），并關(guān)聯(lián)obj

objc_sync_enter的加鎖方式

從底層源碼我們看到加鎖方式是先獲取obj關(guān)聯(lián)的同步數(shù)據(jù)SyncData，然后加鎖

SyncData同步數(shù)據(jù)是什么？

//objc-sync.mm
typedef struct SyncData {
     //下一條同步數(shù)據(jù)
    struct SyncData* nextData;
    //鎖的對(duì)象
    DisguisedPtr<objc_object> object;
    //等待的線程數(shù)量
    int32_t threadCount;  // number of THREADS using this block
    //互斥遞歸鎖
    recursive_mutex_t mutex;
} SyncData;

SyncData是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，類(lèi)似鏈表

nextData：SyncData的指針節(jié)點(diǎn)，指向下一條數(shù)據(jù) object：鎖住的對(duì)象 threadCount：等待的線程數(shù)量 mutex：使用的遞歸互斥鎖

遞歸互斥鎖recursive_mutex_t具體實(shí)現(xiàn)

recursive_mutex_t是基于pthread_mutex_t的封裝。打開(kāi)objc-os.h找到具體實(shí)現(xiàn)

//objc-os.h
using recursive_mutex_t = recursive_mutex_tt<DEBUG>;
class recursive_mutex_tt : nocopy_t {
    pthread_mutex_t mLock;

  public:
    recursive_mutex_tt() : mLock(PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER) { }
    void lock() {
        lockdebug_recursive_mutex_lock(this);
        int err = pthread_mutex_lock(&mLock);
        if (err) _objc_fatal("pthread_mutex_lock failed (%d)", err);
    }
    //這里省略......
}

synchronized的原理

內(nèi)部為每一個(gè)obj分配一把recursive_mutex遞歸互斥鎖。針對(duì)每個(gè)obj，通過(guò)這個(gè)recursive_mutex遞歸互斥鎖進(jìn)行加鎖、解鎖

內(nèi)部是如何管理obj和recursive_mutex的

這里就不一一深究了，有興趣的可以繼續(xù)看源碼

結(jié)論

1. synchronized 的 obj 為 nil 怎么辦？加鎖操作無(wú)效。
2. synchronized 會(huì)對(duì) obj 做什么操作嗎？會(huì)為obj生成遞歸自旋鎖，并建立關(guān)聯(lián)，生成 SyncData，存儲(chǔ)在當(dāng)前線程的緩存里或者全局哈希表里。
3. synchronized 和 pthread_mutex 有什么關(guān)系？SyncData里的遞歸互斥鎖，使用 pthread_mutex 實(shí)現(xiàn)的。
4. synchronized 和 objc_sync 有什么關(guān)系？synchronized 底層調(diào)用了 objc_sync_enter() 和 objc_sync_exit()