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

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// 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

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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

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// 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

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// 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

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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

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// 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

引用计数管理

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// 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();
}

属性访问

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

数据结构操作

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// 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。