Objective-C atomicity #idevjp

1. Objective-C - atomicity - Objective-C - atomicity - 〜～誰もが知ってるかもしれない最初の話〜～〜～誰もが知ってるかもしれない最初の話〜～ EZ-‐‑‒NET 熊⾕谷友宏 @EasyStyleGK http://program.station.ez-‐‑‒net.jp/

2. 今回は、ここのお話

3. ⾃自⼰己紹介 @EasyStyleGK EZ-‐‑‒NET IP Phone ⾳音で再配達ゴッド⾳音で再配達⾳音でダイヤルいつもの電卓 for iPad いつもの電卓 for iPhone iOS アプリ制作中 iOS アプリ制作中 EZ-‐‑‒NET 熊⾕谷友宏 http://program.station.ez-‐‑‒net.jp/

4. はじまり 1. nonatomic ってなんだろう 2. なぜ今頃 atomic の話題なのか 3. @property (atomic)って何をしてくれるの？ 4. 値が壊れる？ 5. スレッドセーフを考慮する 1. nonatomic ってなんだろう 2. なぜ今頃 atomic の話題なのか 3. @property (atomic)って何をしてくれるの？ 4. 値が壊れる？ 5. スレッドセーフを考慮する⽬目次⽬目次

5. 第１章 nonatomic ってなんだろう nonatomic ってなんだろう

6. nonatomic と⾔言えば 1. プロパティ定義で使うキーワード 2. atomic と nonatomic とがある 3. 省省略略時は atomic になる 1. プロパティ定義で使うキーワード 2. atomic と nonatomic とがある 3. 省省略略時は atomic になるそのプロパティが原⼦子性を保証するかを⽰示すキーワードそのプロパティが原⼦子性を保証するかを⽰示すキーワード

7. 原⼦子性とはこれ以上分解できない単位これ以上分解できない単位

8. つまり atomic なプロパティとはそのプロパティの処理理をひとまとまりとして実⾏行行するそのプロパティの処理理をひとまとまりとして実⾏行行するということ？ということ？

9. つまり atomic なプロパティとはつまりスレッドセーフということ？つまりスレッドセーフということ？必ずしもそうとは限らない必ずしもそうとは限らない

10. 第２章なぜ今頃 atomic の話題なのかなぜ今頃 atomic の話題なのか

11. それは無計画さが招いた課題 1. EXC_̲BAD_̲ACCESS で落落ちる 2. 計算中に結果を取得される 3. 状態に基づく処理理中に状態が変わる 1. EXC_̲BAD_̲ACCESS で落落ちる 2. 計算中に結果を取得される 3. 状態に基づく処理理中に状態が変わる⾃自作アプリの複数スレッドを跨ぐ処理理がいよいよ制御しきれなくなったため！⾃自作アプリの複数スレッドを跨ぐ処理理がいよいよ制御しきれなくなったため！スレッドセーフを考えなくてはいけないスレッドセーフを考えなくてはいけない

12. スレッドセーフってなんだろう 1. 他スレッドで使⽤用中のインスタンスが解放されないようにする 2. 複数スレッドからのアクセス時に、値に⽭矛盾が出ない事を保証する 3. ⼀一連の処理理をブロックして、⽭矛盾のない処理理を保証する 1. 他スレッドで使⽤用中のインスタンスが解放されないようにする 2. 複数スレッドからのアクセス時に、値に⽭矛盾が出ない事を保証する 3. ⼀一連の処理理をブロックして、⽭矛盾のない処理理を保証するなど、いろいろなど、いろいろ

13. スレッドセーフというのは atomic はそのうちのひとつatomic はそのうちのひとつ複数スレッドを使った平⾏行行処理理を⽭矛盾しないように制御する考え⽅方複数スレッドを使った平⾏行行処理理を⽭矛盾しないように制御する考え⽅方

14. 第３章 @property (atomic) って何をしてくれるの？ @property (atomic) って何をしてくれるの？

15. それとも⾃自分で原⼦子性を保証しなければいけないの？それとも⾃自分で原⼦子性を保証しなければいけないの？原⼦子性をコンパイラが⾃自動で保証してくれるの？原⼦子性をコンパイラが⾃自動で保証してくれるの？プロパティに atomic を指定したとき

16. @synthesize であればある程度度は⾃自動で保証してくれる @synthesize であればある程度度は⾃自動で保証してくれるこのあたりの感覚は @property (copy) と同じこのあたりの感覚は @property (copy) と同じ

17. @synthesize での atomic 制御読み書きする値が正しいことを保証する読み書きする値が正しいことを保証する 1. インスタンス変数に書き込んでいる間、他からの読み書きはブロックされる 1. インスタンス変数に書き込んでいる間、他からの読み書きはブロックされるプリミティブ型の場合プリミティブ型の場合

18. @synthesize での atomic 制御値の正確性と合わせてインスタンスの⽣生存を保証する値の正確性と合わせてインスタンスの⽣生存を保証する 1. インスタンス変数に書き込んでいる間、他からの読み書きはブロックされる 2. ゲッターでは、ブロックの中でインスタンスを retain して autorelease する 1. インスタンス変数に書き込んでいる間、他からの読み書きはブロックされる 2. ゲッターでは、ブロックの中でインスタンスを retain して autorelease するオブジェクト型の場合オブジェクト型の場合

19. @synthesize での atomic 制御 @synthesize で保証されるのは該当する ivar の整合性だけ @synthesize で保証されるのは該当する ivar の整合性だけインスタンス全体の整合性は保証されないインスタンス全体の整合性は保証されない

20. オブジェクト全体の整合性を保証したいなら A. 同時実⾏行行されたくないもの同⼠士をロック B. クラスを Immutable で設計する C. インスタンスを扱うスレッドを統⼀一する A. 同時実⾏行行されたくないもの同⼠士をロック B. クラスを Immutable で設計する C. インスタンスを扱うスレッドを統⼀一するメソッドでの処理理も考慮したインスタンス全体の整合性を保つ制御が必要メソッドでの処理理も考慮したインスタンス全体の整合性を保つ制御が必要こういったことに配慮しながらクラスを設計する必要があるこういったことに配慮しながらクラスを設計する必要がある

21. 第４章値が壊れる？値が壊れる？

22. 同時アクセスされることでクラス全体の整合性が崩れることは想像に易易しいクラス全体の整合性が崩れることは想像に易易しい case 1:case 1:

23. インスタンス { int _̲a; int _̲b; } -‐‑‒ (void)setA:(int)a B:(int)b { _̲a = a; _̲b = b; } -‐‑‒ (int)total { return _̲a + _̲b; } { int _̲a; int _̲b; } -‐‑‒ (void)setA:(int)a B:(int)b { _̲a = a; _̲b = b; } -‐‑‒ (int)total { return _̲a + _̲b; } クラス全体の整合性破壊スレッド１スレッド２ [obj setA:3 B:5];[obj setA:3 B:5]; 6 [obj setA:1 B:3];[obj setA:1 B:3]; [obj total];[obj total];a ⇦ 1 [3] b ⇦ 3 [5] 4 a ⇦ 3 [1] b ⇦ 5 [2] 8 ⏎ 1 + 5 [4] ?

24. 同時アクセスされることで @synthesize なプロパティが壊れるってどういうこと？ @synthesize なプロパティが壊れるってどういうこと？ case 2:case 2:

25. インスタンス { long long _̲val; } -‐‑‒ (void)setVal:(long long)val { _̲val = val; } -‐‑‒ (long long)val { return _̲val; } { long long _̲val; } -‐‑‒ (void)setVal:(long long)val { _̲val = val; } -‐‑‒ (long long)val { return _̲val; } プロパティの整合性破壊？スレッド１スレッド２ obj.val = 1;obj.val = 1; 4294967295 1 -‐‑‒1 obj.val = -‐‑‒1obj.val = -‐‑‒1 obj.val;obj.val; !?_̲val ⇦ -‐‑‒1 [2] _̲val ⇦ 1 [1] ⏎ -‐‑‒1[3]

26. プロパティの整合性破壊… プログラムの１⾏行行が実⾏行行時の１ステップではないプログラムの１⾏行行が実⾏行行時の１ステップではない

27. インスタンス { long long _̲val; } -‐‑‒ (void)setVal:(long long)val { _̲val = val; } -‐‑‒ (long long)val { return _̲val; } { long long _̲val; } -‐‑‒ (void)setVal:(long long)val { _̲val = val; } -‐‑‒ (long long)val { return _̲val; } プロパティの整合性破壊！スレッド１スレッド２ obj.val = 1;obj.val = 1; 4294967295 obj.val = -‐‑‒1obj.val = -‐‑‒1 obj.val;obj.val; 下位ビット [3] 上位ビット [6] -‐‑‒1 下位ビット [1] 上位ビット [2] 1 下位ビット [4] 上位ビット [5] !

28. 同時アクセスされることでプリミティブ型だって壊れるプリミティブ型だって壊れるつまりつまりもちろん構造体も壊れるもちろん構造体も壊れる

29. 同時アクセスされることでインスタンスが解放されることもインスタンスが解放されることも case 3:case 3:

30. インスタンス @interface MyClass { NSString* _̲string; } @property (nonatomic,readwrite,rcopy) NSString* string; @end @implementation MyClass @synthesize string = _̲string; @end @interface MyClass { NSString* _̲string; } @property (nonatomic,readwrite,rcopy) NSString* string; @end @implementation MyClass @synthesize string = _̲string; @end インスタンスの予期しない解放スレッド１スレッド２ string = [obj.string retain];string = [obj.string retain]; [string retain] [3] Bad Access ! ⏎ _̲string [1] [_̲string release] [2] _̲string = [ssss copy] [4] obj.string = ssss;obj.string = ssss;

31. 平⾏行行処理理は危険がいっぱい平⾏行行処理理は危険がいっぱいスレッドセーフってとっても⼤大事スレッドセーフってとっても⼤大事

32. 第５章スレッドセーフを考慮するスレッドセーフを考慮する

33. おさらい同時アクセスが引き起こす不不都合同時アクセスが引き起こす不不都合 A. プリミティブ型のプロパティが扱うデータが壊れる B. プロパティから取得したオブジェクトが予期せず解放される C. インスタンスへの同時アクセスによりその整合性が崩れる A. プリミティブ型のプロパティが扱うデータが壊れる B. プロパティから取得したオブジェクトが予期せず解放される C. インスタンスへの同時アクセスによりその整合性が崩れる

34. スレッドセーフの実現⽅方法同時アクセスによる不不都合からプログラムを守るために同時アクセスによる不不都合からプログラムを守るために A. atomic と @synthesize を使⽤用する B. 返すインスタンスは確実に retain する C. 関係する範囲を把握して不不整合が起こらないようにロックする D. 実⾏行行するスレッドをひとつに統⼀一する E. クラスを Immutable で設計する A. atomic と @synthesize を使⽤用する B. 返すインスタンスは確実に retain する C. 関係する範囲を把握して不不整合が起こらないようにロックする D. 実⾏行行するスレッドをひとつに統⼀一する E. クラスを Immutable で設計する

35. 同時アクセスからの保護実例例をいくつか実例例をいくつか

36. ブロックの⽅方法 Objective-‐‑‒C で使えるロックの紹介Objective-‐‑‒C で使えるロックの紹介 a) @synchronized (self) ― 続くブロック {} を再帰ロック ― 指定したインスタンスがキーになる b) NSRecursiveLock ― -‐‑‒lock から -‐‑‒unlock までを再帰ロック ― pthread_̲mutex の Objective-‐‑‒C 版 c) セマフォ ― dispatch_̲semaphore でロック ― タイムアウトの指定も可能 a) @synchronized (self) ― 続くブロック {} を再帰ロック ― 指定したインスタンスがキーになる b) NSRecursiveLock ― -‐‑‒lock から -‐‑‒unlock までを再帰ロック ― pthread_̲mutex の Objective-‐‑‒C 版 c) セマフォ ― dispatch_̲semaphore でロック ― タイムアウトの指定も可能

37. 実例例読み書きでの値の破壊を防ぐ読み書きでの値の破壊を防ぐ case A:case A:

38. 読み書きでの値の破壊を防ぐプリミティブ型の @property (atomic) を @synthesize したときに採られる⽅方法プリミティブ型の @property (atomic) を @synthesize したときに採られる⽅方法 1. セッターとゲッターを同じキーでロックする 1. セッターとゲッターを同じキーでロックする同時アクセスを防ぎ値の⽭矛盾を起こさない同時アクセスを防ぎ値の⽭矛盾を起こさない

39. インスタンス @interface MyObject : NSObject { long long _̲val; } @property (atomic,readwrite) long long val; @end @implementation MyObject @synthesize val = _̲val; @end @interface MyObject : NSObject { long long _̲val; } @property (atomic,readwrite) long long val; @end @implementation MyObject @synthesize val = _̲val; @end atomic キーワードを使⽤用するスレッド１スレッド２ obj.val = 1;obj.val = 1; -‐‑‒1 obj.val = -‐‑‒1obj.val = -‐‑‒1 obj.val;obj.val; 下位ビット [2] 上位ビット [2] -‐‑‒1 下位ビット [1] 上位ビット [1] 1 下位ビット [3] 上位ビット [3] Lock!Lock! Lock!Lock! Lock!Lock! OK !

40. 内部的な実装は次のような感じに @synthesize で⽣生成される内部ロックは @synchronized (self) とはまったく別のもの @synthesize で⽣生成される内部ロックは @synchronized (self) とはまったく別のもの Setter -‐‑‒ (void)setVal:(long long)val { [_̲lock lock]; _̲val = val; [_̲lock unlock]; } -‐‑‒ (void)setVal:(long long)val { [_̲lock lock]; _̲val = val; [_̲lock unlock]; } Getter -‐‑‒ (long long)val { [_̲lock lock]; @try { return _̲val; } @finally { [_̲lock unlock]; } } -‐‑‒ (long long)val { [_̲lock lock]; @try { return _̲val; } @finally { [_̲lock unlock]; } }

41. 実例例インスタンスを確実に retain するインスタンスを確実に retain する case B:case B:

42. インスタンスを確実に retain する 1. セッターとゲッターを同じキーでロックする 2. ゲッターのロック内でインスタンスを retain & autorelease する 1. セッターとゲッターを同じキーでロックする 2. ゲッターのロック内でインスタンスを retain & autorelease するインスタンスを確実に確保して呼び出し元が正しく受け取れるようにするインスタンスを確実に確保して呼び出し元が正しく受け取れるようにするオブジェクト型の @property (atomic) を @synthesize したときに採られる⽅方法オブジェクト型の @property (atomic) を @synthesize したときに採られる⽅方法

43. インスタンス @interface MyClass { NSString* _̲string; } @property (atomic,readwrite,copy) NSString* string; @end @implementation MyClass @synthesize string = _̲string; @end @interface MyClass { NSString* _̲string; } @property (atomic,readwrite,copy) NSString* string; @end @implementation MyClass @synthesize string = _̲string; @end インスタンスを確実に retain するスレッド１スレッド２ string = [obj.string retain];string = [obj.string retain]; [_̲string release] [2] _̲string = [ssss retain] [2] obj.string = ssss;obj.string = ssss; [string retain] [3] [_̲string retain] [1] [_̲string autorelease] [1] ⏎ _̲string[1] Lock!Lock! Lock!Lock! KEEP! OK !

44. 内部的な実装は次のような感じに親インスタンスの dealloc で _̲string が解放されるところまでは保護されない親インスタンスの dealloc で _̲string が解放されるところまでは保護されない Setter -‐‑‒ (void)setString: (NSString*)string { [_̲lock lock]; _̲string = [string copy]; [_̲lock unlock]; } -‐‑‒ (void)setString: (NSString*)string { [_̲lock lock]; _̲string = [string copy]; [_̲lock unlock]; } Getter -‐‑‒ (NSString*)string { [_̲lock lock]; @try { [_̲string retain]; [_̲string autorelease]; return _̲string; } @finally { [_̲lock unlock]; } } -‐‑‒ (NSString*)string { [_̲lock lock]; @try { [_̲string retain]; [_̲string autorelease]; return _̲string; } @finally { [_̲lock unlock]; } }

45. 実例例関係する範囲をロックして不不整合が起きないようにする関係する範囲をロックして不不整合が起きないようにする case C:case C:

46. 関係する範囲をロックして不不整合を防ぐ 1. 同時アクセスされたくない部分を同じキーでロックする 2. プロパティも含めて保護するときは @synthesize は使わない 1. 同時アクセスされたくない部分を同じキーでロックする 2. プロパティも含めて保護するときは @synthesize は使わない計算処理理と結果取得を同じキーでロックすれば計算途中の結果取得を防⽌止できる計算処理理と結果取得を同じキーでロックすれば計算途中の結果取得を防⽌止できるオブジェクト全体の整合性を保護する⽅方法オブジェクト全体の整合性を保護する⽅方法

47. インスタンス -‐‑‒ (void)setA:(int)a B:(int)b { @synchronized (self) { _̲a = a; _̲b = b; } } -‐‑‒ (int)total { @synchronized (self) { return _̲a + _̲b; } } -‐‑‒ (void)setA:(int)a B:(int)b { @synchronized (self) { _̲a = a; _̲b = b; } } -‐‑‒ (int)total { @synchronized (self) { return _̲a + _̲b; } } 整合性に関係する範囲をロックするスレッド１スレッド２ [obj setA:3 B:5];[obj setA:3 B:5]; 4 [obj setA:1 B:3];[obj setA:1 B:3]; [obj total];[obj total]; a ⇦ 1 [2] b ⇦ 3 [2] 4 a ⇦ 3 [1] b ⇦ 5 [1] 8 ⏎ 1 + 3 [3] Lock!Lock! Lock!Lock! Lock!Lock! OK !

48. 実例例実⾏行行するスレッドをひとつに統⼀一する実⾏行行するスレッドをひとつに統⼀一する case D:case D:

49. 実⾏行行するスレッドをひとつに統⼀一する 1. ある⼀一連の機能を必ず同じスレッドで実⾏行行するようにする 2. 実⾏行行スレッドではランループが必要 1. ある⼀一連の機能を必ず同じスレッドで実⾏行行するようにする 2. 実⾏行行スレッドではランループが必要同時アクセスを起こさせないためロックやデータの⽭矛盾を気にしなくて済む同時アクセスを起こさせないためロックやデータの⽭矛盾を気にしなくて済む iOS の UI 制御でも採られている⽅方法iOS の UI 制御でも採られている⽅方法

50. インスタンス @interface MyClass { NSString* _̲string; } @property (nonatomic,readwrite,copy) NSString* string; @end @implementation MyClass @synthesize string = _̲string; @end @interface MyClass { NSString* _̲string; } @property (nonatomic,readwrite,copy) NSString* string; @end @implementation MyClass @synthesize string = _̲string; @end 実⾏行行するスレッドをひとつに統⼀一するスレッド１スレッド２ string = [obj.string retain];string = [obj.string retain]; [string retain] [2] [_̲string release] [3] _̲string = [ssss copy] [4] [obj performSelector:@selector(setString:) onThread:スレッド2 withObject:ssss waitUntilDone:NO]; [obj performSelector:@selector(setString:) onThread:スレッド2 withObject:ssss waitUntilDone:NO]; No Lock.No Lock. ⏎ _̲string [1] OK !

51. 実例例クラスを Immutable で設計するクラスを Immutable で設計する case E:case E:

52. クラスを Immutable で設計するインスタンス⽣生成後に値を変更更できないようにする⽅方法インスタンス⽣生成後に値を変更更できないようにする⽅方法値が「変化する途中」が存在しないため同時アクセスで値が⽭矛盾しない値が「変化する途中」が存在しないため同時アクセスで値が⽭矛盾しない 1. インスタンス⽣生成後に ivar の値を編集できないクラスを作る 2. 値の設定はインスタンス⽣生成のときだけ 1. インスタンス⽣生成後に ivar の値を編集できないクラスを作る 2. 値の設定はインスタンス⽣生成のときだけ

53. クラスを Immutable で設計するただしインスタンスの受け渡し時には原⼦子性を保護する必要があるただしインスタンスの受け渡し時には原⼦子性を保護する必要がある Immutable クラスの特徴Immutable クラスの特徴内部でのロックなく複数スレッドで使⽤用可能内部でのロックなく複数スレッドで使⽤用可能

54. クラスを Immutable で設計する値は init メソッドで設定してインスタンス⽣生成後は値の取得だけができる値は init メソッドで設定してインスタンス⽣生成後は値の取得だけができるクラス定義 @interface MyClass : NSObject @property (nonatomic,readonly) long long a; @property (nonatomic,readonly) long long b; @property (nonatomic,readonly) long long total; -‐‑‒ (id)initWithA:(long long)a B:(long long)b; @end @interface MyClass : NSObject @property (nonatomic,readonly) long long a; @property (nonatomic,readonly) long long b; @property (nonatomic,readonly) long long total; -‐‑‒ (id)initWithA:(long long)a B:(long long)b; @end

55. クラスを Immutable で設計するクラス実装 @implementation MyClass -‐‑‒ (id)initWithA:(long long)a B:(long long)b { self = [super init]; if (self) { _̲a = a; _̲b = b; } return self; } -‐‑‒ (long long)total { return _̲a + _̲b; } @implementation MyClass -‐‑‒ (id)initWithA:(long long)a B:(long long)b { self = [super init]; if (self) { _̲a = a; _̲b = b; } return self; } -‐‑‒ (long long)total { return _̲a + _̲b; }

56. インスタンス @interface TestClass { MyClass* _̲obj; } @property (atomic,readwrite,retain) MyClass* obj; @end @implementation MyClass @synthesize obj = _̲obj; @end @interface TestClass { MyClass* _̲obj; } @property (atomic,readwrite,retain) MyClass* obj; @end @implementation MyClass @synthesize obj = _̲obj; @end クラスを Immutable で設計するスレッド１スレッド２ test.obj = [[MyClass alloc] initWithA:3 B:5];test.obj = [[MyClass alloc] initWithA:3 B:5]; 4 test.obj = [[MyClass alloc] initWithA:1 B:3];test.obj = [[MyClass alloc] initWithA:1 B:3]; [test.obj total];[test.obj total]; _̲obj = [obj retain] [2]4 _̲obj = [obj retain] [1]8 [_̲obj retain] [3] [_̲obj autorelease] [3] ⏎ _̲obj[3] Lock!Lock! [test.obj total] [2] Lock!Lock! Lock!Lock! OK !

57. 他のケース他にもこんなところで配慮されていたり他にもこんなところで配慮されていたり

58. １．予期しないインスタンスの解放を防ぐ他のスレッドで実⾏行行されるまでの間にインスタンスが解放されないようにする他のスレッドで実⾏行行されるまでの間にインスタンスが解放されないようにする 1. 引数 withObject に渡されたインスタンスが渡された時点で retain される 2. 別スレッドでの実⾏行行が終わると、インスタンスは release される 1. 引数 withObject に渡されたインスタンスが渡された時点で retain される 2. 別スレッドでの実⾏行行が終わると、インスタンスは release される performSelector:onThread:withObject :... によるインスタンスの⽣生存保証 performSelector:onThread:withObject :... によるインスタンスの⽣生存保証

59. ２．予期しない値の変化を防ぐ渡された NSString を複製してインスタンス変数に持つ⽅方法渡された NSString を複製してインスタンス変数に持つ⽅方法複製を内部に持つ事で外部での値変更更の影響を受けない複製を内部に持つ事で外部での値変更更の影響を受けない 1. NSString のインスタンスは編集可能な場合がある (NSMutableString) 2. そこで copy して、渡されたものとは別の NSString を持つようにする 1. NSString のインスタンスは編集可能な場合がある (NSMutableString) 2. そこで copy して、渡されたものとは別の NSString を持つようにする

60. スレッドセーフこのような配慮で複数スレッドに対応させているこのような配慮で複数スレッドに対応させている

61. あとは宣伝 ...あとは宣伝 ...

62. 本日リリースしました。本日リリースしました。⾳音で再配達ゴッド⾳音で再配達ゴッド • 不不在票の再配達⼿手配をお⼿手伝いするアプリです。 • 有料料版は iPhone の携帯回線だけでも⼿手配ができます。 • 無料料版はトーンにした操作⾳音を固定電話に聞かせて⼿手配します。 • 不不在票の再配達⼿手配をお⼿手伝いするアプリです。 • 有料料版は iPhone の携帯回線だけでも⼿手配ができます。 • 無料料版はトーンにした操作⾳音を固定電話に聞かせて⼿手配します。

Objective-C atomicity #idevjp

Tomohiro Kumagai

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