Какие существуют способы обеспечить безопасность потоков в iOS-приложениях?

Для обеспечения потокобезопасности в iOS используются следующие основные механизмы:

1. Mutex (мьютекс):

   • pthread_mutex_t: Низкоуровневый C API из POSIX.
   • NSLock: Объектно-ориентированная обёртка над примитивами блокировки, часть Foundation.
   • NSRecursiveLock: Разрешает рекурсивную блокировку одним и тем же потоком.

   import Foundation
   
   let lock = NSLock()
   var sharedResource = 0
   
   func modifySharedResource() {
       lock.lock()
       // Критическая секция
       sharedResource += 1
       lock.unlock()
   }
   

2. Spin Lock:

   • OSSpinLock: Устаревший и нерекомендованный из-за проблем с приоритетами и избыточного потребления CPU при длительном ожидании. Заменён на os_unfair_lock.
   • os_unfair_lock: Более эффективная замена OSSpinLock, часть os.xnu.

   import os.lock
   
   var unfairLock = os_unfair_lock()
   var anotherResource = 0
   
   func updateResource() {
       os_unfair_lock_lock(&unfairLock)
       // Критическая секция
       anotherResource += 1
       os_unfair_lock_unlock(&unfairLock)
   }
   

3. Semaphore (семафор):

   • DispatchSemaphore: Семафор из Grand Central Dispatch (GCD). Управляет доступом к ресурсу по счётчику.

   import Foundation
   
   let semaphore = DispatchSemaphore(value: 1) // Счётчик = 1 (аналог мьютекса)
   var limitedResource = 0
   
   func accessLimitedResource() {
       semaphore.wait() // Уменьшает счётчик, блокируется если <= 0
       // Критическая секция
       limitedResource += 1
       semaphore.signal() // Увеличивает счётчик
   }
   

4. Concurrent Queue с Barrier Tasks:

   • Использование конкурентной очереди (concurrent queue) в GCD для чтения и записи. Чтение выполняется параллельно (async), запись — эксклюзивно (sync(flags: .barrier)).

   import Foundation
   
   let concurrentQueue = DispatchQueue(label: "com.example.concurrentQueue", attributes: .concurrent)
   var protectedArray: [Int] = []
   
   func addItem(_ item: Int) {
       concurrentQueue.sync(flags: .barrier) {
           // Задача с флагом .barrier выполняется эксклюзивно
           protectedArray.append(item)
       }
   }
   
   func readArray() -> [Int] {
       var arrayCopy: [Int] = []
       concurrentQueue.sync {
           // Обычная синхронная задача (чтение) может быть параллельна другим чтениям
           arrayCopy = protectedArray
       }
       return arrayCopy
   }
   

5. Atomic Operations:

   • Низкоуровневые операции, гарантирующие атомарность (выполняются как единое целое, без прерываний). Используются для простых типов данных (целые, указатели).

   import Darwin // Для некоторых атомарных функций, например OSAtomic...
   
   var atomicCounter: Int32 = 0
   
   func incrementAtomicCounter() -> Int32 {
       // Пример атомарной операции
       return OSAtomicIncrement32(&atomicCounter)
   }
   

   • В Swift есть экспериментальные типы Atomic<Value> в swift-atomics.

6. Thread Sanitizer:

   • Инструмент отладки, который обнаруживает гонки данных (data races) во время выполнения приложения. Включается в схеме сборки Xcode (Edit Scheme -> Run -> Diagnostics -> Thread Sanitizer).

Выбор механизма зависит от задачи:

• Простой эксклюзивный доступ: NSLock, DispatchSemaphore(value: 1), os_unfair_lock.
• Рекурсивная блокировка: NSRecursiveLock.
• Чтение/запись: Concurrent Queue с .barrier.
• Ограничение доступа (пул ресурсов): DispatchSemaphore (со счётчиком > 1).
• Простые счётчики/флаги: Атомарные операции (если применимо и требуется максимальная производительность, но осторожно).

Избегать следует:

• OSSpinLock.
• Использования глобальных блокировок без необходимости.
• Преждевременной оптимизации с помощью низкоуровневых примитивов без понимания их работы.