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iOS 数组如何设计线程安全

news 2025/7/12 10:18:03

在 iOS 开发中，多线程编程是提升应用性能的重要手段，但同时也带来了线程安全的问题。线程安全指的是多个线程在访问共享资源时，不会出现数据不一致、崩溃等意外情况。

线程安全的重要性

在多线程环境下，如果多个线程同时对共享资源进行读写操作，很容易出现数据竞争的问题。例如，一个线程正在读取某个变量的值，而另一个线程同时在修改这个变量，就可能导致读取到的数据是不完整或错误的。严重的情况下，还可能引发应用崩溃，影响用户体验。所以，保证线程安全是 iOS 开发中必须重视的环节。

常见的线程安全问题场景

属性访问：当多个线程同时对一个属性进行读写时，可能会出现值异常的情况。
集合操作：像数组、字典等集合类，如果在多个线程中同时进行添加、删除元素等操作，很容易导致集合内部结构损坏，引发崩溃。
单例模式：单例对象是全局共享的，如果在多线程环境下对其进行初始化或操作不当，可能会创建多个实例或者出现数据错误。

互斥锁

互斥锁是保证线程安全的常用手段，它可以确保在同一时间只有一个线程能够执行某段代码。在 iOS 中，常用的互斥锁有 @synchronized 关键字和 NSLock 类。

@synchronized

@synchronized 关键字使用起来非常简单，它会自动创建和释放锁。例如：

- (void)safeOperation {@synchronized(self) {// 需要保证线程安全的代码}
}

但 @synchronized 的性能相对较低，在高并发场景下可能会影响效率。

NSLock

NSLock 类提供了更灵活的锁操作，它有 lock 和 unlock 方法来控制锁的获取和释放。示例如下：

NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];- (void)safeOperation {[lock lock];// 需要保证线程安全的代码[lock unlock];
}

在使用 NSLock 时，要注意必须成对使用 lock 和 unlock 方法，否则可能会导致死锁。

原子属性（Atomic)

在 Objective-C 中，属性的默认修饰符是 atomic，它会保证属性的 getter 和 setter 方法是线程安全的。但需要注意的是，atomic 只能保证属性的读写操作本身是原子的，并不能保证复合操作的线程安全。例如：

@property (atomic, assign) NSInteger count;
// 这种复合操作不能保证线程安全
self.count = self.count + 1;

因为 self.count + 1 是先读取 count 的值，然后进行加 1 操作，最后再赋值给 count，这三个步骤并不是原子的，在多线程环境下仍然可能出现问题。所以，atomic 并不是万能的，在复杂场景下还需要结合其他方式来保证线程安全。

串行队列（Serial Queue）

通过将对共享资源的操作都放到一个串行队列中，可以保证这些操作按照顺序执行，从而避免数据竞争。可以使用 GCD 中的 dispatch_queue_create 函数创建串行队列，然后使用 dispatch_sync 或 dispatch_async 方法将任务添加到队列中。例如：

dispatch _queue_t serialQueue = dispatch _queue_create("com.example.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);- (void)safeOperation {
dispatch_sync(serialQueue, ^{
// 需要保证线程安全的代码});
}

使用串行队列的好处是可以避免死锁，并且性能相对较好。

读写锁（Read-Write Lock)

读写锁允多个线程同时读取共享资源，但在写入时只允许一个线程进行操作。这样可以在保证线程安全的同时，提高读操作的并发性能。在 iOS 中，可以使用 pthread_rwlock_t 来实现读写锁。示例代码如下：

pthread_rwlock_t rwlock;pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);// 读操作- (id)readData {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);// 读取数据的操作id data = ...;pthread_rwlock_unlock(&rwlock);return data;
}// 写操作
- (void)writeData:(id)data {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);// 写入数据的操作...pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
}

在使用完读写锁后，需要调用 pthread_rwlock_destroy 函数进行销毁。

栅栏函数（dispatch_barrier_async)

dispatch_barrier_async 是 GCD 中用于控制并发队列任务执行顺序的函数，特别适合解决读写混合场景下的线程安全问题。

适用场景：适用于需要同时支持多线程读操作和单线程写操作的共享资源访问场景，例如对自定义缓存、数组等容器的操作。
工作原理：

仅对并发队列有效，会等待队列中所有在它之前提交的任务执行完毕；

执行期间会阻塞后续任务，确保自身作为 “屏障” 单独执行，避免与其他读写操作冲突；

执行完成后，队列恢复正常并发执行后续任务。
使用示例：

// 创建自定义并发队列（不可使用全局并发队列）dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("com.example.concurrent", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);NSMutableArray *sharedArray = [NSMutableArray array];// 读操作：并发执行- (id)readObjectAtIndex:(NSUInteger)index {__block id result;dispatch_sync(concurrentQueue, ^{if (index < sharedArray.count) {result = sharedArray[index];}});return result;
}// 写操作：通过屏障保证原子性- (void)addObject:(id)object {dispatch_barrier_async(concurrentQueue, ^{[sharedArray addObject:object];});
}

优势：相比传统锁机制，既保留了多线程并发读的性能优势，又能保证写操作的独占性，是平衡效率与安全性的最优解之一。
注意事项：必须使用自定义并发队列，不能用于串行队列或全局并发队列；若需同步等待写操作完成，可使用 dispatch_barrier_sync，但需避免死锁。

避免共享资源

尽量减少共享资源的使用是从根源上解决线程安全问题的方法。可以通过将数据进行拷贝，让每个线程使用自己的私有数据，从而避免多个线程对同一资源进行操作。例如，在传递数据时，使用不可变副本，当需要修改时，再创建新的副本。

总结

设计线程安全是 iOS 多线程开发中的关键环节，需要根据具体的应用场景选择合适的方法。互斥锁、原子属性、串行队列、读写锁、屏障任务等都是常用的手段，在实际开发中，往往需要结合多种方法来保证线程安全。同时，还要注意避免过度使用锁，以免影响应用的性能。只有合理地设计线程安全策略，才能开发出稳定、高效的 iOS 应用。

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