Атомарные и неатомарные свойства: ключевые различия объяснены

Атомарные и неатомарные атрибуты в объявлениях свойств Objective-C

Атомарные и неатомарные атрибуты в объявлениях свойств Objective-C в первую очередь различаются своими гарантиями потокобезопасности и характеристиками производительности. Атомарные свойства обеспечивают потокобезопасность операций доступа к свойствам с использованием блокировок синхронизации, в то время как неатомарные свойства обеспечивают более быстрый доступ, но без гарантий потокобезопасности. В первом объявлении явно указано nonatomic, во втором явно указано atomic, а в третьем по умолчанию используется atomic, поскольку это поведение по умолчанию в Objective-C.

Содержание

• Базовое определение и назначение
• Различия в потокобезопасности
• Влияние на производительность
• Детали реализации
• Практические рекомендации по использованию
• Сравнение трех стилей объявления
• Распространенные заблуждения

Базовое определение и назначение

В объявлениях свойств Objective-C atomic и nonatomic указывают на поведение синхронизации аксессоров свойств. Как объясняется в документации Apple, свойства являются атомарными по умолчанию, что означает, что синтезированные аксессоры обеспечивают надежный доступ к свойствам в многопоточной среде.

Ключевое различие заключается в том, как значения свойств доступны и изменяются при работе с несколькими потоками:

• Атомарные свойства: Обеспечивают полное завершение операций getter и setter независимо от одновременной активности других потоков
• Неатомарные свойства: Предоставляют прямой доступ без гарантий синхронизации

Различия в потокобезопасности

Атомарные свойства реализуют потокобезопасность с помощью механизмов синхронизации. При объявлении свойства как atomic, среда выполнения гарантирует, что операции доступа к свойству не могут быть прерваны или повреждены другими потоками.

Согласно обсуждениям на Stack Overflow, атомарные свойства “обеспечивают потокобезопасность с помощью блокировки потока с использованием NSLOCK”. Это означает:

Свойство потокобезопасно на уровне указателя - объект безопасен для чтения/записи (АТОМАРНО), но не является потокобезопасным, поскольку другие потоки могут одновременно отправлять любые типы сообщений объекту.

Однако важно понимать, что атомарные свойства гарантируют только атомарность самой операции с указателем, а не всей потокобезопасности объекта. Как объясняет один из источников:

Атомарное свойство гарантированно никогда не прочитает мусорное значение из-за нескольких потоков-записи.

Для неатомарных ситуация иная:

Несколько потоков могут одновременно обращаться к свойствам, поэтому всегда существует риск несоответствия между значениями.

Влияние на производительность

Потокобезопасность, обеспечиваемая атомарными свойствами, сопряжена с накладными расходами на производительность. Как stated in документации Stack Overflow:

Вы можете использовать атрибут nonatomic свойства, чтобы указать, что синтезированные аксессоры просто устанавливают или возвращают значение напрямую, без гарантий того, что произойдет, если это же значение будет одновременно доступно из разных потоков.

Этот подход прямого доступа делает неатомарные свойства значительно быстрее, чем их атомарные аналоги, особенно в сценариях с высокой частотой доступа.

Детали реализации

Фактическая реализация атомарных свойств включает более сложный код. Как показывает документация Apple:

Если вы указываете strong, copy или retain и не указываете nonatomic, то в среде с подсчетом ссылок синтезированный геттер для свойства объекта использует блокировку и сохраняет и автоосвобождает возвращаемое значение.

Это означает, что атомарные свойства обычно генерируют код, похожий на:

- (NSString *)firstName {
    @synchronized(self) {
        return [_firstName retain];
    }
}

В отличие от этого, неатомарные свойства генерируют гораздо более простой код:

- (NSString *)firstName {
    return _firstName;
}

Атомарная реализация гарантирует, что возвращаемый объект имеет корректное количество ссылок, даже если исходный объект был освобожден другим потоком во время операции getter.

Практические рекомендации по использованию

Когда использовать атомарные свойства

• Когда нужна базовая потокобезопасность для простого доступа к свойствам
• Когда свойство может быть доступно из нескольких потоков
• При разработке библиотеки или фреймворка, где потокобезопасность важна
• Когда вы не уверены в поведении потоков у потребителей вашего класса

Когда использовать неатомарные свойства

• Когда производительность критична, а свойство доступно часто
• Когда у вас есть явная синхронизация потоков
• Когда свойство доступно только из одного потока
• При работе с элементами UI, которые обычно доступны из главного потока

В качестве общего правила в разработке под iOS, большинство свойств, связанных с UI, объявляются как nonatomic, поскольку они обычно доступны из главного потока, и преимущества производительности перевешивают проблемы потокобезопасности.

Сравнение трех стилей объявления

Рассмотрим три конкретных объявления свойств, которые вы упомянули:

1. @property(nonatomic, retain) UITextField *userName;

Это объявление явно указывает:

• nonatomic: Отсутствие синхронизации потоков
• retain: Владение объектом следует старым правилам подсчета ссылок
• *UITextField userName: Имя и тип свойства

2. @property(atomic, retain) UITextField *userName;

Это объявление явно указывает:

• atomic: Используется синхронизация потоков
• retain: Владение объектом следует старым правилам подсчета ссылок
• *UITextField userName: Имя и тип свойства

3. @property(retain) UITextField *userName;

Это объявление указывает только:

• retain: Владение объектом следует старым правилам подсчета ссылок
• *UITextField userName: Имя и тип свойства

Третье объявление функционально идентично второму, поскольку atomic является поведением по умолчанию в Objective-C. Как объясняется в документации Repeato:

Второе и третье объявления функционально идентичны, поскольку atomic является поведением по умолчанию.

В современном Objective-C с ARC (Automatic Reference Counting) атрибут retain обычно заменяется на strong, но различие между atomic и nonatomic остается тем же самым.

Распространенные заблуждения

Заблуждение 1: Атомарные свойства полностью потокобезопасны

Многие разработчики считают, что атомарные свойства делают объекты полностью потокобезопасными. Это не так. Как объясняет один эксперт:

Атомарность не означает потокобезопасность… Атомарное свойство гарантирует, что будет возвращено корректное значение. Заметьте, что корректное не всегда означает правильное.

Заблуждение 2: Неатомарные свойства всегда небезопасны

Хотя неатомарные свойства не предоставляют гарантий потокобезопасности, это не означает, что они “небезопасны” по своей природе. Они подходят, когда:

• Свойство доступно только из одного потока
• Вы реализуете собственную синхронизацию
• Преимущества производительности перевешивают риски

Заблуждение 3: Атомарные свойства предотвращают состояния гонки

Атомарные свойства гарантируют только атомарность операций с указателями. Они не предотвращают состояния гонки в сложных операциях, которые включают несколько свойств или вызовы методов.

Заключение

Различие между atomic и nonatomic свойствами в Objective-C сводится к синхронизации потоков и производительности:

• Атомарные свойства (поведение по умолчанию) обеспечивают потокобезопасный доступ к указателям через блокировки синхронизации, но с накладными расходами на производительность
• Неатомарные свойства предлагают более быстрый доступ без гарантий потокобезопасности
• Три стиля объявления, которые вы предоставили, приводят к всего двум различным поведениям: nonatomic и atomic (причем третье идентично второму)

При выборе между atomic и nonatomic учитывайте требования к потокам вашей приложения и потребности в производительности. Для большинства современной разработки под iOS предпочтительны nonatomic для свойств UI из-за преимуществ производительности, в то время как atomic может быть подходящим для данных, которые могут быть доступны из нескольких потоков.

Помните, что атомарные свойства обеспечивают только базовую потокобезопасность на уровне указателя - они не делают ваш объект полностью потокобезопасным. Для сложных сценариев работы с потоками вам потребуются дополнительные механизмы синхронизации помимо просто атомарных свойств.

Источники

1. What’s the difference between the atomic and nonatomic attributes? - Stack Overflow
2. Understanding the Difference Between Atomic and Nonatomic Attributes in Objective-C - Repeato
3. Atomic vs. Non Atomic Properties Crash Course - Medium
4. Declared Properties - Apple Developer Documentation
5. iOS - @property retain, assign, copy, nonatomic in Objective-C - Stack Overflow
6. atomic vs nonatomic properties in Objective-C - Nabeel Writes
7. reference type properties atomic vs nonatomic - Apple Developer Forums