面试题：Objective-C中GCD多线程编程之死锁与优化

Question

在Objective-C使用GCD编程时，如何避免死锁情况的发生？假设你在一个多线程项目中遇到了死锁，描述你排查和解决死锁问题的思路及步骤。另外，如何对GCD多线程代码进行性能优化，尤其是在高并发场景下？

Answer 1

避免死锁的方法

1. 避免循环依赖：确保不同任务之间不会形成互相等待资源的循环。例如，若任务A等待任务B释放资源，而任务B又等待任务A释放资源，就会产生死锁。应梳理任务间的依赖关系，打破这种循环。
2. 合理设置队列优先级：避免高优先级任务等待低优先级任务释放资源，导致低优先级任务永远无法执行。例如，使用dispatch_set_target_queue函数来设置队列优先级关系。
3. 避免在同步队列中同步执行任务：不要在主队列（串行队列）中同步执行任务，因为这会造成主线程等待任务完成，而任务又在等待主线程继续执行，从而引发死锁。如不要在dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{ /* 任务 */ });这种场景下在主队列中同步执行任务。

排查和解决死锁问题的思路及步骤

1. 定位死锁位置
   • 使用工具：利用 Instruments 中的 Deadlocks 工具，它可以捕获死锁并指出发生死锁的线程和相关代码位置。运行应用程序，当死锁发生时，Instruments 会暂停并显示死锁信息。
   • 日志分析：在代码中适当位置添加日志，例如在进入和离开临界区（使用锁的区域）时记录日志。通过分析日志，查看哪些线程在等待资源，以及等待的顺序，从而找出可能形成死锁的地方。
2. 分析死锁原因
   • 资源依赖分析：检查死锁涉及的线程所访问的资源，看是否存在循环依赖。例如，线程1持有资源A并等待资源B，而线程2持有资源B并等待资源A，这就是典型的循环依赖导致的死锁。
   • 同步机制检查：查看代码中使用的同步机制（如锁、信号量等）是否使用不当。比如，锁的嵌套使用是否合理，是否在获取锁后没有及时释放。
3. 解决死锁问题
   • 打破循环依赖：重新设计资源获取顺序，确保所有线程按照相同的顺序获取资源，避免循环等待。例如，总是先获取资源A，再获取资源B，无论哪个线程都遵循此顺序。
   • 优化同步机制：检查锁的使用，确保锁的获取和释放操作正确配对。可以考虑使用更细粒度的锁，减少锁的持有时间，降低死锁发生的概率。例如，将对一个大对象的锁分解为对几个小部分的锁。

GCD多线程代码性能优化（高并发场景下）

1. 队列优化
   • 使用并发队列：根据任务类型选择合适的队列，对于可以并行执行的任务，使用并发队列（dispatch_get_global_queue获取的全局并发队列或dispatch_queue_create创建的自定义并发队列），充分利用多核处理器的性能。例如，处理大量数据的计算任务可以放在并发队列中执行。
   • 控制并发度：通过设置并发队列的质量服务（QoS）类来控制并发度。例如，对于I/O密集型任务，可以设置为NSQualityOfServiceBackground，系统会根据资源情况合理分配并发度，避免过多线程竞争资源导致性能下降。
2. 任务优化
   • 减少任务粒度：将大任务拆分成多个小任务，使系统能更灵活地调度这些任务，提高并发执行效率。例如，对于一个处理大量数据的任务，可以拆分成多个处理小块数据的子任务，并行执行。
   • 避免不必要的同步：尽量减少在并发任务中使用同步操作（如dispatch_sync），因为同步操作会阻塞线程，降低并发性能。只有在必要时，如需要保证数据一致性时才使用同步操作。
3. 数据共享优化
   • 使用线程安全的数据结构：当多个线程需要访问共享数据时，使用线程安全的数据结构，如NSMutableArray的线程安全替代品NSMutableArray（在GCD中使用dispatch_semaphore_t等同步机制保护），或使用NSCache（它本身是线程安全的），避免数据竞争导致的性能问题。
   • 减少数据共享：尽量避免多个线程频繁访问共享数据，如果可以，将数据复制到每个线程的本地空间进行处理，减少同步开销。例如，在图像处理中，可以将图像数据复制到每个线程的本地缓冲区进行处理，处理完成后再合并结果。