面试题：Objective-C多线程下GCD的队列同步与锁机制的深度结合应用及性能优化

Question

在一个高并发的Objective-C项目中，使用Grand Central Dispatch (GCD) 进行任务调度，同时要保证数据的同步。请阐述如何将GCD的队列同步特性与锁机制（如互斥锁、读写锁等）深度结合，以实现高效且线程安全的代码。并且针对这种结合方式，分析可能出现的性能瓶颈，并提出至少两种性能优化方案。

Answer 1

GCD队列同步特性与锁机制结合实现线程安全代码

1. 互斥锁与GCD结合
   • 串行队列 + 互斥锁：使用串行队列确保任务顺序执行，减少竞争。同时，在访问共享资源前加互斥锁，例如使用pthread_mutex_t。代码示例：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.example.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(serialQueue, ^{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 访问共享资源
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
});
pthread_mutex_destroy(&mutex);

• 并发队列 + 互斥锁：并发队列可提高执行效率，但共享资源访问需加互斥锁保证安全。如：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("com.example.concurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(concurrentQueue, ^{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 访问共享资源
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
});
pthread_mutex_destroy(&mutex);

2. 读写锁与GCD结合
   • 并发读：对于读操作，可以允许多个线程同时进行。使用读写锁（如pthread_rwlock_t），在并发队列中执行读任务时，加读锁。示例：

pthread_rwlock_t rwLock;
pthread_rwlock_init(&rwLock, NULL);
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("com.example.concurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(concurrentQueue, ^{
    pthread_rwlock_rdlock(&rwLock);
    // 执行读操作
    pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
});
pthread_rwlock_destroy(&rwLock);

• 独占写：写操作需要独占资源，在并发队列中执行写任务时，加写锁。示例：

pthread_rwlock_t rwLock;
pthread_rwlock_init(&rwLock, NULL);
dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("com.example.concurrentQueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(concurrentQueue, ^{
    pthread_rwlock_wrlock(&rwLock);
    // 执行写操作
    pthread_rwlock_unlock(&rwLock);
});
pthread_rwlock_destroy(&rwLock);

性能瓶颈分析

1. 锁竞争：大量线程同时竞争锁，会导致线程阻塞，降低系统整体性能。例如在高并发写操作场景下，写锁竞争激烈，其他线程等待时间长。
2. 队列等待：如果GCD队列任务过多，任务在队列中等待执行时间过长，导致响应延迟。特别是在串行队列中，前一个任务执行时间长，会影响后续任务。

性能优化方案

1. 减少锁粒度：尽量缩小锁保护的代码范围，只对共享资源访问部分加锁。例如，将大段操作分解，使锁只保护关键数据访问部分，减少锁持有时间，降低锁竞争。
2. 优化队列使用：根据任务特性合理选择队列。对于一些非关键任务，可放到低优先级队列执行；对于可并行的任务，使用并发队列并结合读写锁，提高执行效率。
3. 读写分离：进一步优化读写操作，将读操作和写操作分别分配到不同的队列。读队列可使用并发队列提高读效率，写队列使用串行队列保证写操作顺序性和数据一致性。
4. 使用信号量：对于一些需要控制并发数量的场景，可使用信号量（dispatch_semaphore_t）。比如限制同时访问共享资源的线程数量，避免过多线程竞争锁。