利用 StripedMap 优化 iOS 应用中带锁缓存的并发访问

使用 StripedMap 优化并发缓存访问：一种提高 iOS 应用性能的有效方法

引言

在 iOS 应用开发中，缓存是提升性能和用户体验的关键工具。缓存可让我们将数据存储在内存中，以便快速访问，无需重复网络请求或执行耗时计算任务。

然而，当多个线程同时访问共享缓存时，会出现并发问题，如数据竞争和死锁。为了解决这些问题，我们可以使用 StripedMap ，这是一个内置的并发数据结构，显著提高了对带锁缓存的并发访问速度。

StripedMap 是什么？

StripedMap 是一种特殊哈希表，其中元素被分配到称为 桶（bucket） 的不同分区。每个桶都有自己的锁，当多个线程同时尝试访问同一个桶时，这些线程将等待锁释放，而不是等待整个哈希表释放。

这种分段锁机制使并发访问更有效率，因为只有尝试访问同一桶的线程才会被阻塞。其他线程可以继续访问其他桶中的元素，不受阻塞。

StripedMap 的优势

使用 StripedMap 有以下好处：

• 提升并发性： 通过将哈希表划分为多个桶，StripedMap 允许多个线程同时访问不同桶，从而最大限度地提高并发性。
• 减少锁争用： 每个桶都有自己的锁，因此多个线程不会争用同一锁，大幅减少锁争用并提高整体性能。
• 可扩展性： StripedMap 可以轻松扩展到拥有更多处理器的系统，因为它允许多个线程并行访问不同桶。
• 开销低： 与使用全局锁相比，StripedMap 的开销较低，因为它只锁定需要访问的特定桶。

StripedMap 的应用场景

StripedMap 可应用于需要并发访问共享缓存的各种场景，例如：

• SideTable： SideTable 是 iOS 中的数据结构，用于在多个线程之间共享数据。使用 StripedMap 可以优化 SideTable 中带锁缓存的访问速度。
• 内存缓存： StripedMap 可用于优化内存缓存，以便多个线程同时访问缓存的不同部分。
• 并发队列： 在并发队列中，StripedMap 可用于优化对共享任务队列的访问，防止任务冲突和死锁。

如何使用 StripedMap

在 ObjC 中使用 StripedMap 十分简单。按照以下步骤即可：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface StripedMap : NSObject

- (instancetype)init;

- (id)objectForKey:(id)key;

- (void)setObject:(id)object forKey:(id)key;

@end

@implementation StripedMap {
    NSMutableDictionary *map;
    NSMutableArray *locks;
}

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        map = [NSMutableDictionary new];
        locks = [NSMutableArray new];
        for (int i = 0; i < 16; i++) {
            [locks addObject:[NSLock new]];
        }
    }
    return self;
}

- (id)objectForKey:(id)key {
    NSUInteger index = [key hash] % locks.count;
    NSLock *lock = locks[index];
    
    [lock lock];
    id object = map[key];
    [lock unlock];
    
    return object;
}

- (void)setObject:(id)object forKey:(id)key {
    NSUInteger index = [key hash] % locks.count;
    NSLock *lock = locks[index];
    
    [lock lock];
    map[key] = object;
    [lock unlock];
}

@end

使用 StripedMap 时，只需创建一个实例并使用 setObject: 和 objectForKey: 方法设置和获取值。StripedMap 会自动处理并发访问，确保安全高效地访问共享缓存。

常见问题解答

• StripedMap 与并发字典有什么区别？ StripedMap 与并发字典类似，但在并发性方面更有优势。StripedMap 将哈希表划分为多个桶，每个桶都有自己的锁，从而减少锁争用并提高并发性。
• StripedMap 的桶数应该如何设置？ 桶数应根据并发程度和缓存大小进行调整。一般来说，更多的桶可以提高并发性，但也会增加开销。
• StripedMap 可以完全防止数据竞争和死锁吗？ StripedMap 不能完全防止数据竞争和死锁，但可以显著降低它们的可能性。
• StripedMap 是否适用于所有类型的缓存？ StripedMap 适用于需要并发访问的带锁缓存。对于只被单个线程访问的缓存，使用全局锁可能更合适。
• StripedMap 的使用是否会对性能产生重大影响？ StripedMap 相比全局锁有较低的开销，但使用 StripedMap 也会带来一些开销，应根据具体应用场景进行权衡。

结论

StripedMap 是一种功能强大的并发数据结构，可以显著提高对带锁缓存的并发访问速度。通过将哈希表划分为多个桶，StripedMap 允许多个线程并行访问不同桶，最大限度地提高并发性并减少锁争用。在需要并发访问共享缓存的 iOS 应用场景中，强烈建议使用 StripedMap。