構建乙個 synchronized

校對：智多芯

定稿：numbbbbb，cmb

@synchronized在 objective-c 中是一種控制結構。它接受乙個物件指標作為引數，後面跟著一段**塊。物件指標充當鎖，在任何時候@synchronized**塊中只允許有乙個執行緒使用該物件指標。

這是一種使用鎖進行多執行緒程式設計的簡單方法。舉個例子，你可以使用nslock來保護對 nsmutablearray 的操作：

nsmutablearray *array;
nslock *arraylock;
[arraylock lock];
[array addobject: obj];
[arraylock unlock];
複製**

也可以使用@synchronized來將陣列本身加鎖：

@synchronized(array) 
複製**

swift 版本的@synchronized是乙個函式。它接受乙個物件和乙個閉包，並使用持有的鎖呼叫閉包：

func
synchronized
(obj: anyobject, f: void -> void)
複製**

問題是，如何將任意物件變成鎖？

在乙個理想的世界裡（從實現這個函式的角度來看），每個物件都會為鎖留出一些額外空間。在這個額外的小空間裡synchronized可以使用適當的lock和unlock方法。然而實際上並沒有這種額外空間。這可能是件好事，因為這會增大物件占用的記憶體空間，但是大多數物件永遠都不會用到這個特性。

另一種方法是用一張表來記錄物件到鎖的對映。synchronized可以查詢表中的鎖，然後執行lock和unlock操作。這種方法的問題是表本身需要保證執行緒安全，它要麼需要自己的鎖，要麼需要某種特殊的無鎖資料結構。為表單獨設定乙個鎖要容易得多。

為了防止鎖不斷累積常駐，表需要跟蹤鎖的使用情況，並在不再需要鎖的時候銷毀或者復用。

要實現將物件對映到鎖的表，nsmaptable非常合適。它可以把原始物件的位址設定成鍵（key），並且可以儲存對鍵（key）和值（value）的弱引用，從而允許系統自動**未被使用的鎖。

let lockstable = nsmaptable.weaktoweakobjectsmaptable()
複製**

表中儲存的物件是nsrecursivelock例項。因為它是乙個類，所以可以直接用在nsmaptable中，這點pthread_mutex_t就做不到。@synchronized支援遞迴語義，我們的實現一樣支援。

表本身也需要乙個鎖。自旋鎖（spinlock）在這種情況下很適合使用，因為對錶的訪問是短暫的：

var lockstablelock = os_spinlock_init
複製**

有了這個表，我們就可以實現以下方法：

func
synchronized
(obj: anyobject, f: void -> void)
複製**

有了鎖之後主表鎖就可以釋放了。為了避免死鎖這必須要在呼叫f之前完成：

osspinlockunlock(&lockstablelock)
複製**

現在我們可以呼叫f了，在呼叫前後分別進行加鎖和解鎖操作：

lock!.lock()
f()lock!.unlock()
}複製**

蘋果實現@synchronized的方案可以在 objective-c runtime 原始碼中找到:

它的主要目標是效能，因此不像上面那個玩具般的例子那麼簡單。對比它們之間有什麼異同是一件非常有趣的事。

基本概念是相同的。存在乙個全域性表，它將物件指標對映到鎖，然後該鎖在@synchronized**塊前後進行加鎖解鎖操作。

表本身的實現是乙個鍊錶而不是乙個雜湊表。常見的情況是在任何給定的時間裡只存在少數幾個鎖，所以鍊錶的效能表現很不錯，可能比雜湊表效能更好。每個執行緒快取了最近在當前執行緒查詢的鎖，從而進一步提高效能。

蘋果的實現並不是只有乙個全域性表，而是在乙個陣列裡儲存了 16 個表。物件根據位址對映到不同的表，這減少了不同物件@synchronized操作導致的不必要的資源競爭，因為它們很可能使用的是兩個不同的全域性表。

蘋果的實現沒有使用弱指標引用（這會大量增加額外開銷），而是為每個鎖保留乙個內部的引用計數。當引用計數達到零時，該鎖可以給新物件重新使用。未使用的鎖不會被銷毀，但復用意味著在任何時間鎖的總數都不能超過啟用鎖的數量，也就是說鎖的數量不隨著新物件的建立無限制增長。

蘋果的實現方案非常巧妙，效能也不錯。但與使用單獨的顯式鎖相比，它仍然會帶來一些不可避免的額外開銷。尤其是：

如果不相關的物件剛好被分配到同乙個全域性表中，那麼它們仍然可能存在資源競爭。

必須做更多的工作來查詢全域性表中物件的鎖。

即使不需要，每個加鎖/解鎖週期都會產生遞迴語義方面的開銷。

@synchronized是乙個有趣的語言結構，實現起來並不簡單。它的作用是實現執行緒安全，但它的實現本身也需要同步操作來保證執行緒安全。我們使用全域性鎖來保護對鎖表的訪問，蘋果的實現中則使用不同的技巧來提高效能。