swift 线程安全数组

原创

mob64ca12da2d62 2024-09-24 05:36:19 ©著作权

©著作权归作者所有：来自51CTO博客作者mob64ca12da2d62的原创作品，请联系作者获取转载授权，否则将追究法律责任

实现线程安全的 Swift 数组

在多线程编程中，线程安全是一个关键问题。尤其是当多个线程同时访问并修改同一个数据结构时，会导致数据异常。今天，我们将学习如何在 Swift 中实现一个线程安全的数组。

整体流程

在开始代码实现之前，我们先了解一下整个实现过程，以下表格总结了实现步骤：

步骤	说明
第1步	创建一个包含数组的类
第2步	确定存储数组的数据结构
第3步	使用 DispatchQueue 实现线程安全
第4步	实现常用的方法
第5步	测试线程安全的数组

步骤详解

第1步：创建一个包含数组的类

首先，我们需要创建一个数组类，命名为 ThreadSafeArray。

class ThreadSafeArray<Element> {
    // 这个类将会包含一个数组和一个队列来实现线程安全
}

第2步：确定存储数组的数据结构

为了存储数组元素，我们需要一个内部数组。我们还需要一个 DispatchQueue 来确保操作的线程安全。我们可以使用 attributes: .concurrent 属性来允许多个读取同时进行，但写入时需要排他。

class ThreadSafeArray<Element> {
    private var array: [Element] = []                // 存储数组元素
    private let queue = DispatchQueue(label: "ThreadSafeArrayQueue", attributes: .concurrent)  // 声明并发队列
}

第3步：使用 DispatchQueue 实现线程安全

现在我们可以通过 DispatchQueue 来实现对数组的安全访问。我们将添加四个公共方法：append、remove、get 和 count。

class ThreadSafeArray<Element> {
    private var array: [Element] = []
    private let queue = DispatchQueue(label: "ThreadSafeArrayQueue", attributes: .concurrent)

    // 添加元素
    func append(_ element: Element) {
        queue.async(flags: .barrier) { // 使用 barrier 以确保写操作是安全的
            self.array.append(element)
        }
    }

    // 移除指定位置的元素
    func remove(at index: Int) {
        queue.async(flags: .barrier) {
            guard index >= 0 && index < self.array.count else { return }
            self.array.remove(at: index)
        }
    }

    // 根据索引获取元素
    func get(at index: Int) -> Element? {
        var result: Element?
        queue.sync { // 读取时使用 sync，不会阻止其它读取操作
            if index >= 0 && index < self.array.count {
                result = self.array[index]
            }
        }
        return result
    }

    // 获取数组的元素数量
    func count() -> Int {
        var count = 0
        queue.sync {
            count = self.array.count
        }
        return count
    }
}

第4步：实现常用的方法

上面的代码实现了对数组的简单操作。append 和 remove 方法使用了 barrier 属性，以确保写操作的独占性，而 get 和 count 则使用了同步操作，以允许多个线程同时读取。

第5步：测试线程安全的数组

为了确保我们的 ThreadSafeArray 是线程安全的，我们可以编写一段代码来测试它。

let safeArray = ThreadSafeArray<Int>()

let queue = DispatchQueue.global(qos: .userInitiated)
let group = DispatchGroup()

for i in 1...10 {
    group.enter()
    queue.async {
        safeArray.append(i)      // 在不同线程中添加元素
        group.leave()
    }
}

group.notify(queue: .main) {
    print("Final count after inserting: \(safeArray.count())") // 打印当前元素数量
}

旅行图

以下是我们实现线程安全数组过程的旅行图：

journey
    title 实现 Swift 线程安全数组的流程
    section 创建数组类
      创建 `ThreadSafeArray` 类: 5: Me
    section 确定数据结构
      确定内部数组和并发队列: 4: Me
    section 实现线程安全
      添加线程安全的 `append`, `remove`, `get`, `count` 方法: 3: Me
    section 测试
      启动多个线程并插入元素: 5: Me
      验证最终元素数量: 5: Me

类图

我们在实现过程中创建的类图如下所示：

classDiagram
    class ThreadSafeArray {
        - array: [Element]
        - queue: DispatchQueue
        + append(element: Element)
        + remove(at index: Int)
        + get(at index: Int) -> Element?
        + count() -> Int
    }