深入剖析 GCD：dispatch_once 和 dispatch_semaphore 的源码解析

2023-11-18 17:23:03

在 iOS 多线程的知识体系中，GCD（Grand Central Dispatch）扮演着至关重要的角色。本文将深入探究 GCD 源码中两个关键函数：dispatch_once 和 dispatch_semaphore，为您提供对 GCD 内部机制的深入了解。

揭开 dispatch_once 的神秘面纱

dispatch_once 函数旨在确保一个任务仅被执行一次，即使在多线程并发调用时也能保证线程安全。这一特性使其在创建单例、swizzeld method 等场景中发挥着至关重要的作用。

源码解析

DISPATCH_ALWAYS_INLINE
void
_dispatch_once(dispatch_once_t *once, dispatch_block_t block)
{
    dispatch_once_gate_t gate;
    dispatch_once_callout_t callout;
    uintptr_t pre;
    uintptr_t post;

    pre = OS_atomic_load_acq(once, ONCE_GATE_PRE_BITS);
    if (!pre) {
        pre = OS_atomic_cmpxchg_acq(once, ONCE_GATE_PRE_bits(1), 0);
        if (!pre) {
            callout = (dispatch_once_callout_t)_dispatch_once_callout_with_block(block, once);
            gate = ONCE_GATE_POST_callout((uintptr_t)callout);
            if (OS_atomic_cmpxchg_acq(once, ONCE_GATE_POST_bits(gate), ONCE_GATE_PRE_BITS(1)) != ONCE_GATE_PRE_BITS(1)) {
                _dispatch_once_callout_cancel(callout);
                return;
            }
            block();
            post = OS_atomic_xchg_acq(once, gate);
            _dispatch_once_callout_release(callout, post);
            return;
        }
    }
    //其他线程调用时，等待上面的callout完成。
    while (pre != ONCE_GATE_POST_done) {
        OSSpinLockLock(&lock);
        post = OS_atomic_load_acq(once, ONCE_GATE_POST_BITS);
        if (post == ONCE_GATE_POST_done) {
            OSSpinLockUnlock(&lock);
            return;
        }
        post = OS_atomic_cmpxchg_acq(once, ONCE_GATE_POST_wait(pre), post);
        if (post != ONCE_GATE_POST_bits(pre)) {
            OSSpinLockUnlock(&lock);
            if (pre != post) {
                continue;
            }
            if (post == ONCE_GATE_POST_done) {
                return;
            }
        }
        _dispatch_thread_sleep_noninterruptible(ONCE_GATE_SLEEP_TIME);
        pre = OS_atomic_load_acq(once, ONCE_GATE_PRE_BITS);
        OSSpinLockUnlock(&lock);
    }
}

宏定义解析

为了更好的理解源码，我们需要对 dispatch_once 函数中涉及的宏定义进行解析：

ONCE_GATE_PRE_BITS(x) ：宏定义，表示 dispatch_once 的前置位字段（用于保存执行状态）。
ONCE_GATE_POST_bits(x) ：宏定义，表示 dispatch_once 的后置位字段（用于保存执行结果）。
ONCE_GATE_POST_callout(x) ：宏定义，用于将 callout 转换为后置位字段的值。
ONCE_GATE_POST_wait(x) ：宏定义，用于生成等待状态的后置位字段值。
ONCE_GATE_POST_done ：宏定义，表示任务已执行完成。

执行流程

检查执行状态： 通过原子加载操作获取 dispatch_once 结构的前置位字段，判断任务是否已执行。
设置执行标志： 如果任务未执行，通过原子交换操作设置前置位字段为 1，表明任务已开始执行。
创建执行回调： 创建一个执行回调，并将 dispatch_once 结构的地址作为参数传递。
设置后置位字段： 将执行回调转换为后置位字段的值，并通过原子交换操作将其设置到 dispatch_once 结构中。
执行任务： 执行执行回调，完成任务。
设置完成标志： 将后置位字段设置为 ONCE_GATE_POST_done，表示任务已完成。
释放资源： 释放执行回调的资源。

dispatch_semaphore：信号量的力量

dispatch_semaphore 是一种信号量，用于同步和控制多线程之间的资源访问。它允许您指定可同时访问资源的最大线程数，从而防止资源竞争和死锁。

源码解析

DISPATCH_ALWAYS_INLINE
void
_dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema)
{
    uintptr_t state = OS_atomic_inc_acq(&dsema->dsema_state, relaxed);

    if (state < 0) {
        _dispatch_wakeup(dsema);
    }
}