因為原文一些內(nèi)容寫的不太準確，我按照我的理解做出了批注和補充温技。
如果你已經(jīng)使用 Objective-C 編寫過任何并發(fā)程序革为，那么想必是見過 @synchronized 這貨了。@synchronized 結(jié)構(gòu)所做的事情跟鎖（lock）類似：它防止不同的線程同時執(zhí)行同一段代碼舵鳞。但在某些情況下震檩，相比于使用 NSLock 創(chuàng)建鎖對象、加鎖和解鎖來說蜓堕，@synchronized 用著更方便抛虏，可讀性更高。
譯者注：這與蘋果官方文檔對 @synchronized 的介紹有少許出入俩滥，但意思差不多嘉蕾。蘋果官方文檔更強調(diào)它“防止不同的線程同時獲取相同的鎖”，因為文檔在集中介紹多線程編程各種鎖的作用霜旧，所以更強調(diào)“相同的鎖”而不是“同一段代碼”错忱。
如果你之前沒用過 @synchronized儡率，接下來有個使用它的例子。這篇文章實質(zhì)上是談?wù)動嘘P(guān)我對 @synchronized 實現(xiàn)原理的一個簡短研究以清。
用到 @synchronized 的例子
假設(shè)我們正在用 Objective-C 實現(xiàn)一個線程安全的隊列儿普，我們一開始可能會這么干：
@implementation ThreadSafeQueue
{
NSMutableArray *_elements;
NSLock *_lock;
}
- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
_elements = [NSMutableArray array];
_lock = [[NSLock alloc] init];
}
return self;
}
- (void)push:(id)element
{
[_lock lock];
[_elements addObject:element];
[_lock unlock];
}
@end
上面的 ThreadSafeQueue 類有個 init 方法，它初始化了一個 _elements 數(shù)組和一個 NSLock 實例掷倔。這個類還有個 push: 方法眉孩，它先獲取鎖、然后向數(shù)組中插入元素勒葱、最終釋放鎖浪汪。可能會有許多線程同時調(diào)用 push: 方法凛虽，但是 [_elements addObject:element] 這行代碼在任何時候?qū)⒅粫谝粋€線程上運行死遭。步驟如下：
線程 A 調(diào)用 push: 方法
線程 B 調(diào)用 push: 方法
線程 B 調(diào)用 [_lock lock] - 因為當(dāng)前沒有其他線程持有鎖，線程 B 獲得了鎖
線程 A 調(diào)用 [_lock lock]凯旋，但是鎖已經(jīng)被線程 B 占了所以方法調(diào)用并沒有返回-這會暫停線程 A 的執(zhí)行
線程 B 向 _elements 添加元素后調(diào)用 [_lock unlock]呀潭。當(dāng)這些發(fā)生時，線程 A 的 [_lock lock] 方法返回至非，并繼續(xù)將自己的元素插入 _elements钠署。
我們可以用 @synchronized 結(jié)構(gòu)更簡要地實現(xiàn)這些：
@implementation ThreadSafeQueue
{
NSMutableArray *_elements;
}
- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
_elements = [NSMutableArray array];
}
return self;
}
- (void)increment
{
@synchronized (self) {
[_elements addObject:element];
}
}
@end
在前面的例子中，”synchronized block” 與 [_lock lock] 和 [_lock unlock] 效果相同荒椭。你可以把它當(dāng)成是鎖住 self谐鼎，仿佛 self 就是個 NSLock。鎖在左括號 { 后面的任何代碼運行之前被獲取到趣惠，在右括號 } 后面的任何代碼運行之前被釋放掉该面。這爽就爽在媽媽再也不用擔(dān)心我忘記調(diào)用 unlock 了！
你可以給任何 Objective-C 對象上加個 @synchronized信卡。那么我們也可以在上面的例子中用 @synchronized(_elements) 來替代 @synchronized(self)，效果是相同的题造。
回到研究上來
我對 @synchronized 的實現(xiàn)十分好奇并搜了一些它的細節(jié)傍菇。我找到了一些答案，但這些解釋都沒有達到我想要的深度界赔。鎖是如何與你傳入 @synchronized 的對象關(guān)聯(lián)上的丢习？@synchronized會保持（retain，增加引用計數(shù)）被鎖住的對象么淮悼？假如你傳入 @synchronized 的對象在 @synchronized 的 block 里面被釋放或者被賦值為 nil 將會怎么樣咐低？這些全都是我想回答的問題。而我這次的收獲袜腥，會要你好看见擦。
@synchronized 的文檔告訴我們 @synchronized block 在被保護的代碼上暗中添加了一個異常處理。為的是同步某對象時如若拋出異常，鎖會被釋放掉鲤屡。
SO 上的這篇帖子 說 @synchronized block 會變成 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 的成對兒調(diào)用损痰。我們不知道這些函數(shù)是干啥的，但基于這些事實我們可以認為編譯器將這樣的代碼：
@synchronized(obj) {
// do work
}
轉(zhuǎn)化成這樣的東東：
@try {
objc_sync_enter(obj);
// do work
} @finally {
objc_sync_exit(obj);
}
objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 是什么鬼酒来？它們是如何實現(xiàn)的卢未？在 Xcode 中按住 Command 鍵單擊它們，然后進到了堰汉，里面有我們感興趣的這兩個函數(shù)：
/**
* Begin synchronizing on 'obj'.
* Allocates recursive pthread_mutex associated with 'obj' if needed.
*
* @param obj The object to begin synchronizing on.
*
* @return OBJC_SYNC_SUCCESS once lock is acquired.
*/
OBJC_EXPORT int objc_sync_enter(id obj)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_3, __IPHONE_2_0);
/**
* End synchronizing on 'obj'.
*
* @param obj The objet to end synchronizing on.
*
* @return OBJC_SYNC_SUCCESS or OBJC_SYNC_NOT_OWNING_THREAD_ERROR
*/
OBJC_EXPORT int objc_sync_exit(id obj)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_3, __IPHONE_2_0);
文件底部的一句話提醒著我們：蘋果工程師也是人啊哈哈
// The wait/notify functions have never worked correctly and no longer exist.
OBJC_EXPORT int objc_sync_wait(id obj, long long milliSecondsMaxWait)
UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;
OBJC_EXPORT int objc_sync_notify(id obj)
UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;
OBJC_EXPORT int objc_sync_notifyAll(id obj)
UNAVAILABLE_ATTRIBUTE;
譯者注: 此處原文摘抄的源碼較舊辽社，所以我替換上了最新的頭文件源碼。
不過翘鸭，objc_sync_enter 的文檔告訴我們一些新東西： @synchronized 結(jié)構(gòu)在工作時為傳入的對象分配了一個遞歸鎖滴铅。分配工作何時發(fā)生，如何發(fā)生呢矮固？它怎樣處理 nil失息？幸運的是 Objective-C runtime 是開源的，所以我們可以馬上閱讀源碼并找到答案档址！
注：遞歸鎖在被同一線程重復(fù)獲取時不會產(chǎn)生死鎖盹兢。你可以在這找到一個它工作原理的精巧案例。有個叫做 NSRecursiveLock 的現(xiàn)成的類也是這樣的守伸，你可以試試绎秒。
你可以在這里找到 objc-sync 的全部源碼，但我要帶著你看源碼尼摹，讓你屌的飛起见芹。我們先從文件頂部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開始看。在代碼塊的下方我將立刻做出解釋蠢涝，所以嘗試理解代碼時別花太長時間哦玄呛。
typedef struct SyncData {
id object;
recursive_mutex_t mutex;
struct SyncData* nextData;
int threadCount;
} SyncData;
typedef struct SyncList {
SyncData *data;
spinlock_t lock;
} SyncList;
// Use multiple parallel lists to decrease contention among unrelated objects.
#define COUNT 16
#define HASH(obj) ((((uintptr_t)(obj)) >> 5) & (COUNT - 1))
#define LOCK_FOR_OBJ(obj) sDataLists[HASH(obj)].lock
#define LIST_FOR_OBJ(obj) sDataLists[HASH(obj)].data
static SyncList sDataLists[COUNT];
一開始，我們有一個 struct SyncData 的定義和二。這個結(jié)構(gòu)體包含一個 object（嗯就是我們給 @synchronized 傳入的那個對象）和一個有關(guān)聯(lián)的 recursive_mutex_t徘铝，它就是那個跟 object 關(guān)聯(lián)在一起的鎖。每個 SyncData 也包含一個指向另一個 SyncData 對象的指針惯吕，叫做 nextData惕它，所以你可以把每個 SyncData 結(jié)構(gòu)體看做是鏈表中的一個元素。最后废登，每個 SyncData 包含一個 threadCount淹魄，這個 SyncData 對象中的鎖會被一些線程使用或等待，threadCount 就是此時這些線程的數(shù)量堡距。它很有用處甲锡，因為 SyncData 結(jié)構(gòu)體會被緩存兆蕉，threadCount==0 就暗示了這個 SyncData 實例可以被復(fù)用。
下面是 struct SyncList 的定義搔体。正如我在上面提過恨樟，你可以把 SyncData 當(dāng)做是鏈表中的節(jié)點。每個 SyncList 結(jié)構(gòu)體都有個指向 SyncData 節(jié)點鏈表頭部的指針疚俱，也有一個用于防止多個線程對此列表做并發(fā)修改的鎖劝术。
上面代碼塊的最后一行是 sDataLists 的聲明 - 一個 SyncList 結(jié)構(gòu)體數(shù)組，大小為16呆奕。通過定義的一個哈希算法將傳入對象映射到數(shù)組上的一個下標养晋。值得注意的是這個哈希算法設(shè)計的很巧妙，是將對象指針在內(nèi)存的地址轉(zhuǎn)化為無符號整型并右移五位梁钾，再跟 0xF 做按位與運算绳泉，這樣結(jié)果不會超出數(shù)組大小。 LOCK_FOR_OBJ(obj) 和 LIST_FOR_OBJ(obj) 這倆宏就更好理解了姆泻，先是哈希出對象的數(shù)組下標零酪，然后取出數(shù)組對應(yīng)元素的 lock 或 data。一切都是這么順理成章哈拇勃。
當(dāng)你調(diào)用 objc_sync_enter(obj) 時四苇，它用 obj 內(nèi)存地址的哈希值查找合適的 SyncData，然后將其上鎖方咆。當(dāng)你調(diào)用 objc_sync_exit(obj) 時月腋，它查找合適的 SyncData 并將其解鎖。
譯者注：上面的源碼和幾段解釋有些原文解釋不清和疏漏的地方瓣赂，我看了源碼后按照自己的理解進行了補充和修正榆骚。
噢耶！現(xiàn)在我們知道了 @synchronized 如何將一個鎖和你正在同步的對象關(guān)聯(lián)起來煌集，我希望聊聊當(dāng)一個對象在 @synchronized block 當(dāng)中被釋放或設(shè)為 nil 時會發(fā)生什么妓肢。
如果你看了源碼，你會注意到 objc_sync_enter 里面沒有 retain 和 release苫纤。所以它要么沒有保持傳遞給它的對象职恳，要么或是在 ARC 下被編譯。我們可以用下面的代碼來做個測試：
NSDate *test = [NSDate date];
// This should always be `1`
NSLog(@"%@", @([test retainCount]));
@synchronized (test) {
// This will be `2` if `@synchronized` somehow
// retains `test`
NSLog(@"%@", @([test retainCount]));
}
兩次輸出結(jié)果都是 1方面。那么 objc_sync_enter 貌似是沒保持被傳入的對象啊。這就有趣了色徘。如果你正在同步的對象被釋放了恭金，然后有可能另一個新的對象在此處（被釋放對象的內(nèi)存地址）被分配內(nèi)存。有可能某個其他的線程試著去同步那個新的對象（就是那個在被釋放的舊對象的內(nèi)存地址上剛剛新創(chuàng)建的對象）褂策。在這種情況下横腿，另一個線程將會阻塞颓屑，直到當(dāng)前線程結(jié)束它的同步 block。這看起來并不是很糟耿焊。這聽起來像是這種事情實現(xiàn)者早就知道并予以接受揪惦。我沒有遇到過任何好的替代方案。
假如對象在 “synchronized block” 中被設(shè)成 nil 呢罗侯？我們回顧下我們“拿衣服（naive）”的實現(xiàn)吧：
NSString *test = @"test";
@try {
// Allocates a lock for test and locks it
objc_sync_enter(test);
test = nil;
} @finally {
// Passed `nil`, so the lock allocated in `objc_sync_enter`
// above is never unlocked or deallocated
objc_sync_exit(test);
}
objc_sync_enter 被調(diào)用時傳入的是 test 而 objc_sync_exit 被調(diào)用時傳入的是 nil器腋。而傳入 nil 的時候 objc_sync_exit 是個空操作，所以將不會有人釋放鎖钩杰。這真操蛋纫塌！
如果 Objective-C 容易受這種情況的影響，我們知道么讲弄？下面的代碼調(diào)用 @synchronized 并在 @synchronized block 中將一個指針設(shè)為 nil措左。然后在后臺線程對指向同一個對象的指針調(diào)用 @synchronized。如果在 @synchronized block 中設(shè)置一個對象為 nil 會讓鎖死鎖避除，那么在第二個 @synchronized 中的代碼將永遠不會執(zhí)行怎披。我們將不會在控制臺中看見任何東西打印出來。
NSNumber *number = @(1);
NSNumber *thisPtrWillGoToNil = number;
@synchronized (thisPtrWillGoToNil) {
/**
* Here we set the thing that we're synchronizing on to `nil`. If
* implemented naively, the object would be passed to `objc_sync_enter`
* and `nil` would be passed to `objc_sync_exit`, causing a lock to
* never be released.
*/
thisPtrWillGoToNil = nil;
}
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_BACKGROUND, 0), ^ {
NSCAssert(![NSThread isMainThread], @"Must be run on background thread");
/**
* If, as mentioned in the comment above, the synchronized lock is never
* released, then we expect to wait forever below as we try to acquire
* the lock associated with `number`.
*
* This doesn't happen, so we conclude that `@synchronized` must deal
* with this correctly.
*/
@synchronized (number) {
NSLog(@"This line does indeed get printed to stdout");
}
});
當(dāng)我們執(zhí)行上面的代碼時瓶摆，那行代碼確實打印到控制臺了凉逛！所以 Objective-C 很好地處理了這種情形。我打賭是編譯器做了類似下面的事情來解決這事兒的赏壹。
NSString *test = @"test";
id synchronizeTarget = (id)test;
@try {
objc_sync_enter(synchronizeTarget);
test = nil;
} @finally {
objc_sync_exit(synchronizeTarget);
}
用這種方式實現(xiàn)的話鱼炒，傳遞給 objc_sync_enter 和 objc_sync_exit 總是相同的對象。他們在傳入 nil 時都是空操作蝌借。這帶來了個棘手的 debug 場景：如果你向 @synchronized 傳遞 nil昔瞧，那么你就不會得到任何鎖而且你的代碼將不會是線程安全的！如果你想知道為什么你正收到出乎意料的競態(tài)（race）菩佑，確保你沒向你的 @synchronized 傳入 nil自晰。你可以在 objc_sync_nil 上設(shè)置一個符號斷點來達到此目的。objc_sync_nil 是一個空方法稍坯，當(dāng) objc_sync_enter 函數(shù)被傳入 nil 時會被調(diào)用酬荞，折讓 debug 更容易些。
譯者注：下面是 objc_sync_enter 的源碼瞧哟，主要邏輯很容易看懂混巧，加深理解 objc_sync_nil：
int objc_sync_enter(id obj)
{
int result = OBJC_SYNC_SUCCESS;
if (obj) {
SyncData* data = id2data(obj, ACQUIRE);
require_action_string(data != NULL, done, result = OBJC_SYNC_NOT_INITIALIZED, "id2data failed");
result = recursive_mutex_lock(&data->mutex);
require_noerr_string(result, done, "mutex_lock failed");
} 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();
}
done:
return result;
}
這回答了我眼下的問題。
你調(diào)用 sychronized 的每個對象勤揩，Objective-C runtime 都會為其分配一個遞歸鎖并存儲在哈希表中咧党。
如果在 sychronized 內(nèi)部對象被釋放或被設(shè)為 nil 看起來都 OK。不過這沒在文檔中說明陨亡，所以我不會再生產(chǎn)代碼中依賴這條傍衡。
注意不要向你的 sychronized block 傳入 nil深员！這將會從代碼中移走線程安全。你可以通過在 objc_sync_nil 上加斷點來查看是否發(fā)生了這樣的事情蛙埂。
研究的下一步將是研究下 “synchronized block” 輸出的匯編倦畅，看看它是否跟我上面的例子相似。我打賭 @synchronized block 的匯編輸出不會跟任何我們設(shè)計的 Objective-C 代碼相同绣的，上面的代碼充其量是 @synchronized 的工作模型叠赐。你能想到更好的模型么？我的模型在哪些情形下會有瑕疵么被辑？告訴我吧燎悍！
