iOS - 原子操作

在 Objective-C 运行时中，原子操作主要通过以下几种方式实现：

1. 基本原子操作

// 原子操作的基本实现
#if __has_feature(c_atomic)#define OSAtomicIncrement32(p)        __c11_atomic_add((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_RELAXED)
#define OSAtomicDecrement32(p)        __c11_atomic_sub((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_RELAXED)
#define OSAtomicIncrement32Barrier(p) __c11_atomic_add((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_SEQ_CST)
#define OSAtomicDecrement32Barrier(p) __c11_atomic_sub((_Atomic(int32_t) *)(p), 1, __ATOMIC_SEQ_CST)#else// 使用内联汇编实现原子操作
static ALWAYS_INLINE int32_t 
OSAtomicIncrement32(volatile int32_t *value) {return __sync_fetch_and_add(value, 1) + 1;
}static ALWAYS_INLINE int32_t 
OSAtomicDecrement32(volatile int32_t *value) {return __sync_fetch_and_sub(value, 1) - 1;
}#endif

2. 自旋锁实现

typedef struct {volatile int32_t value;
} OSSpinLock;// 自旋锁的原子操作
static ALWAYS_INLINE void
OSSpinLockLock(volatile OSSpinLock *lock)
{do {while (lock->value != 0) {// 忙等待__asm__ volatile ("pause");}} while (!OSAtomicCompareAndSwap32(0, 1, &lock->value));
}static ALWAYS_INLINE bool
OSSpinLockTry(volatile OSSpinLock *lock)
{return OSAtomicCompareAndSwap32(0, 1, &lock->value);
}static ALWAYS_INLINE void
OSSpinLockUnlock(volatile OSSpinLock *lock)
{OSAtomicAnd32Barrier(0, &lock->value);
}

3. 比较和交换操作

// 原子比较和交换操作
static ALWAYS_INLINE bool
OSAtomicCompareAndSwapPtr(void *oldp, void *newp, void *volatile *dst)
{return __sync_bool_compare_and_swap(dst, oldp, newp);
}static ALWAYS_INLINE bool
OSAtomicCompareAndSwapLong(long oldl, long newl, volatile long *dst)
{return __sync_bool_compare_and_swap(dst, oldl, newl);
}static ALWAYS_INLINE bool
OSAtomicCompareAndSwap32(int32_t old, int32_t new, volatile int32_t *dst)
{return __sync_bool_compare_and_swap(dst, old, new);
}

4. 内存屏障

// 内存屏障实现
#define OSMemoryBarrier()  __sync_synchronize()static ALWAYS_INLINE void
OSMemoryBarrierBeforeUnlock()
{
#if defined(__arm__) || defined(__arm64__)OSMemoryBarrier();
#endif
}

5. 原子引用计数操作

inline bool 
objc_object::rootTryRetain()
{return sidetable_tryRetain() || rootRetain_overflow(true);
}inline bool 
objc_object::sidetable_tryRetain()
{SideTable& table = SideTables()[this];bool result = false;table.lock();RefcountMap::iterator it = table.refcnts.find(this);if (it != table.refcnts.end()) {RefcountMap::value_type &pair = *it;if (pair.second & SIDE_TABLE_RC_PINNED) {pair.second += SIDE_TABLE_RC_ONE;result = true;}else if (pair.second & SIDE_TABLE_RC_WEAKLY_REFERENCED) {pair.second = SIDE_TABLE_RC_ONE | SIDE_TABLE_RC_WEAKLY_REFERENCED;result = true;}}table.unlock();return result;
}

6. 原子属性访问器

// 原子属性的 getter
id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {if (!atomic) return *((id *)((char *)self + offset));// 原子操作spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[GOODHASH(offset)];slotlock.lock();id value = *((id *)((char *)self + offset));slotlock.unlock();return value;
}// 原子属性的 setter
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy) 
{if (!atomic) {*((id *)((char *)self + offset)) = newValue;return;}spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[GOODHASH(offset)];slotlock.lock();*((id *)((char *)self + offset)) = newValue;slotlock.unlock();
}

7. 原子操作的使用场景

1. 引用计数管理

// 原子递增引用计数
id objc_retain(id obj) {if (!obj) return obj;if (obj->isTaggedPointer()) return obj;return obj->retain();
}

2. 属性访问

// 原子属性的实现
@property (atomic) NSString *name;

3. 数据结构操作

// 线程安全的数组操作
- (void)addObject:(id)object {@synchronized(self) {[_array addObject:object];}
}

这些原子操作的实现保证了：

• 原子性：操作要么完全执行，要么完全不执行

• 可见性：一个线程的修改对其他线程立即可见

• 有序性：防止指令重排导致的问题

通过这些机制，Objective-C 运行时能够保证多线程环境下的数据一致性和线程安全。