Swift百万线程攻破单例(Singleton)模式

原创
2014/06/20 10:48
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一、不安全的单例实现

在上一篇文章我们给出了单例的设计模式,直接给出了线程安全的实现方法。单例的实现有多种方法,如下面:


class SwiftSingleton {
    class var shared: SwiftSingleton {
    if !Inner.instance {
        Inner.instance = SwiftSingleton()
        }
        return Inner.instance!
    }
    
    struct Inner {
        static var instance: SwiftSingleton?
    }
}
这段代码的实现,在shared中进行条件判断,如果Inner.instance.为空就生成一个实例,这段代码很简单看出当线程同时访问SwiftSingleton.shared方法时,会有如下问题出现,线程A判断Inner.instance为空,进入if语句后立即切换到线程B执行,线程B也进行判断,由于线程A只是进入了if语句,这行代码
Inner.instance = SwiftSingleton()
并没有执行,这时Inner.instance还是为空,纯种B也进行了if语句,这种情况下就会创建多个实例,没有保证实例的唯一性。上面的理论分析基本上任何一篇文章都会讲的,也不能理解,关键问题,如何测试上面的理论是否正确呢?

二、线程抢占原理

其实要实现上面的例子不是很难,创建N个线程,让他同时访问SwiftSingleton.shared的方法,然后将所返回值保存最后比较引用。原理很正确,但是创建线程的过程也是极为耗时的,现在的电脑执行速度又非常快,模拟具有不稳定性。如何才能最大的程序测试上面的安全性呢?这里我们可以考虑一个现实的问题,假设找1000人通过一段100米的赛道,我们想要更多的人同时去冲刺终点,越多越好。如果你找一个人,告诉他去跑100米,然后再找一下,这种肯定同时到达终点的几率很底。怎么办才能让更多的人在同一时刻到达终点呢?问题很简单,让这1000人有一个同一起跑点,让他们都准备好了,随着一声令下,一起奔跑。回到技术问题,我们想要更多的线程访问SwiftSingleton.shared方法,只要先准备好所有的线程,然后发一个信号,让他们同时去访问这个方法就可以了。


实现代码如下:

class SwiftSingletonTest: XCTestCase {
    let condition = NSCondition()
    let mainCondition = NSCondition()
    let singleton: NSMutableArray = NSMutableArray()
    let threadNumbers = 1000
    var count = 0
    
    
    func testSingletonThreadSafe() {
        
        for index in 0...threadNumbers {
            NSThread.detachNewThreadSelector("startNewThread", toTarget: self, withObject: nil)
        }
        condition.broadcast()
        mainCondition.lock()
        mainCondition.wait()
        mainCondition.unlock()
        checkOnlyOne()
    }
    
    func startNewThread() {
        condition.lock()
        condition.wait()
        condition.unlock()
        let temp = SwiftSingleton.shared
        count++
        singleton.addObject(temp)
        if count >= threadNumbers {
            mainCondition.signal()
        }
    }
    
    func checkOnlyOne () {
        let one = singleton[0] as SwiftSingleton
        for temp : AnyObject  in singleton {
            let newTemp = temp as SwiftSingleton
            if(newTemp !== one) {
                XCTFail("singleton error!");
                break;
            }
        }
    }

}


这段代码主要使用了NSCondition进行同步,其中NSCondition分为两组,condition主要负责除主线程外的线程,在for语句中会创建并启动N(threadNumbers)个线程,每个线程启动后都会去执行startNewThread方法,执行到语句

condition.wait()
会挂起当前线程,当所有线程都创建并启动完时,主线程会执行
condition.broadcast()
来通知挂起的N个线程继承执行,此时主线程调了
mainCondition.wait()
主线和进入持起状态,此处将主线程挂起是为了在所有线程执行完,依次检查取得引用的唯一性。
if count >= threadNumbers {
            mainCondition.signal()
}
当所有线程执行完时,通知主线程开始检查引用 ,执行结果如下:


从上面执行结果可以看出,这种单例并不能保证唯一性。上面用到了NSMutableArray类,网上说是线程不安全的,这里用的Swift语言,这么多线程一起操作暂没有发现异常......


三、其它实现测试结果

1、最简单实现
class SwiftSingleton {
    class var shared: SwiftSingleton {
            return Inner.instance
    }

    struct Inner {
        static let instance: SwiftSingleton = SwiftSingleton()
    }
}

解释:上述代表也实现了延迟加载技术
static let instance: SwiftSingleton = SwiftSingleton()
首次访问Inner.instance时才会创建SwiftSingleton,此处的延迟加载由Swift语言原生提供


测试结果:通过


2、使用GCD技术实现的单例模式
class SwiftSingleton {
    class var shared: SwiftSingleton {
        dispatch_once(&Inner.token) {
            Inner.instance = SwiftSingleton()
        }
        return Inner.instance!
    }
    struct Inner {
        static var instance: SwiftSingleton?
        static var token: dispatch_once_t = 0
    }
    
}

测试结果:通过

四、测试说明

1、Mac OS线程总量有限制,你可以创建线程,但是最大线程启动数为2048(我的电脑是这样,不清楚是否跟硬件有关)
2、如果遇到测试无响应时,可以尝试重启电脑
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