iOS property的多线程问题解析

正文

问题列表

1、以下这段代码，在主线程执行会输出什么？

// 属性
@property (nonatomic, strong) NSArray *myNumberArr; 

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) { 
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{ 
        self.myNumberArr = @[[NSString stringWithFormat:@"%d", i]]; 
        NSLog(@"%d, count:%d", i, self.myNumberArr.count); 
    }); 
}

2、稍作修改，以下代码在主线程执行会输出什么？

// 属性
@property (atomic, strong) NSArray *myNumberArr; 

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) { 
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{ 
        _myNumberArr = @[[NSString stringWithFormat:@"%d", i]]; 
        NSLog(@"%d, count:%d", i, _myNumberArr.count); 
    }); 
}

3、换了个类型，以下代码在主线程执行会输出什么？

// 属性
@property (nonatomic, strong) NSNumber *myNumber; 

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) { 
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{ 
        self.myNumber = @(i);
        NSLog(@"%d, count:%d", i, self.myNumber.intValue); 
    }); 
}

问题分析

题目1

// 属性
@property (nonatomic, strong) NSArray *myNumberArr; 

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) { 
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{ 
        self.myNumberArr = @[[NSString stringWithFormat:@"%d", i]]; 
        NSLog(@"%d, count:%d", i, self.myNumberArr.count); 
    }); 
}

先解析提供的要素： a.nonatomic的NSArray属性； b.异步执行，gcd并发队列； c.多个block，对myNumberArr的多次读写操作；

由a+b+c组成了一个多线程访问nonatomic属性的方法，如果直接运行会遇到下面的问题：

题目2

// 属性
@property (atomic, strong) NSArray *myNumberArr; 

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) { 
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{ 
        _myNumberArr = @[[NSString stringWithFormat:@"%d", i]]; 
        NSLog(@"%d, count:%d", i, _myNumberArr.count); 
    }); 
}

myNumberArr的属性变为了atomic；属性的访问，没有用.myNumberArr的getter方式，而是直接使用_myNumberArr访问；

如果直接运行，同样会遇到下面的问题：

题目3

// 属性
@property (nonatomic, strong) NSNumber *myNumber; 

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) { 
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{ 
        self.myNumber = @(i);
        NSLog(@"%d, count:%d", i, self.myNumber.intValue); 
    }); 
}

与题目1类似： a.nonatomic的NSNumber属性； b.异步执行，gcd并发队列； c.多个block，对myNumber的多次读写操作；

由题目1的经验，由a+b+c组成了一个多线程访问nonatomic属性myNumber的方法，预期直接运行会遇到相同的多线程问题。但实际上是可以正常跑完，即使多尝试几次。

问题延伸

多线程问题出现原因

为了更好理解多线程读写属性的理解，我们以题目1为样例，假设其代码在-viewDidLoad方法。

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) { 
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{ 
        NSArray *arr = @[[NSString stringWithFormat:@"%d", i]];
        self.myNumberArr = arr; 
    }); 
}

上面的代码其实是跑在ARC的环境下，而OC实现ARC就是编译时添加retain和release的方法。

我们将上面的ARC代码转成更原始的代码，得到更接近真实运行的代码。

转换方式：将ViewController.m的代码编译，得到ViewController.o文件，再进行还原得到类似的MRC代码。

比如说block中的代码会生成：

根据上图，给self.myNumberArr赋值的var_28已经进行过retain操作。

打开setMyNumberArr:方法，我们知道最终赋值的操作是通过objc_storeStrong来执行，这个方法如下：

void objc_storeStrong(id *object, id value) {
  id oldValue = *object;
  value = [value retain];
  *object = value;
  [oldValue release];
}

当我们给self.myNumberArr赋值时，除了需要retain传进来的值，还需要将self.myNumberArr原来的值进行release，否则赋值之后原来的self.myNumberArr值将成为野指针。

当我们有多个线程执行self.myNumberArr = arr，也就是会有多个线程同时跑到objc_storeStrong函数。假设线程1和线程2同时运行objc_storeStrong，他们会同时拿到oldValue，此时retainCount都为1；当2个线程执行完赋值操作，都会对oldValue进行release操作，此时就会触发对象的重复release，造成崩溃。

nonatomic和atomic的区别

我们把myNumberArr的生命的nonatomic改成atomic，再试试看看生成的代码。

// 属性
@property (atomic, strong) NSArray *myNumberArr;

结果如下：

objc_setProperty_atomic的代码如下：（注意看下面if(atomic)的分支）

void objc_setProperty_atomic(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset)
{
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, true, false, false);
}

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:NULL];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:NULL];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spin_lock_t *slotlock = &PropertyLocks[GOODHASH(slot)];
        _spin_lock(slotlock);
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        _spin_unlock(slotlock);
    }

    objc_release(oldValue);
}

我们知道了atomic的属性在setter的时候，会通过加锁来保证赋值操作的原子性。

这样也解释了题目2的时候，为什么声明了atomic，但是通过_myNumberArr属性去操作会发生多线程问题。因为用下划线_myNumberArr访问属性时，不会经过getter/setter。

NSArray的多线程问题

有一个经典问题：NSArray是否为线程安全类，能否用atomic修饰NSArray属性保证属性的读写线程安全吗？根据前面的分析，我们可以知道atomic可以保证getter/setter在使用的时候，不会出现多线程问题；再根据官网的资料，我们知道NSArray是Thread Safety。综上，答案是：NSArray是线程安全类，可以用atomic修饰NSArray属性保证属性的读写线程安全。

但是，是否涉及NSArray的操作，都不需要考虑多线程的问题？看下面的一段代码：

@property (atomic, strong) NSArray<NSMutableDictionary *> *myAtomicArr;

// 运行代码
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        if ([self.myAtomicArr[0] objectForKey:@"testKey"]) {
            [self.myAtomicArr[0] removeObjectForKey:@"testKey"];
        }
        else {
            self.myAtomicArr[0][@"testKey"] = @"testStr";
        }
    });
}

通过前面的经验，我们容易知道这种代码会出现多线程问题。我们能保证NSArray类的线程安全，但是无法保证NSArray内的属性操作是线程安全，所以在使用NSArray时，仍需要小心多线程问题。

思考题?：

为什么题目3可以正常运行？（答案见附录最后一篇）

总结

多线程的问题有很多场景，这里仅针对属性的多线程读写这个case进行分析，对多线程问题建立一个基础的认知。

附录

Thread Safety Summary objc_storeStrong objc_setProperty_atomic 一次标签指针（Tagged Pointer）导致的事故