Атомарные и неатомарные свойства в Objective-C

Основное различие между атрибутами atomic и nonatomic в объявлениях свойств Objective-C заключается в гарантиях потокобезопасности и характеристиках производительности. Атомарные свойства обеспечивают потокобезопасный доступ с использованием блокировок, гарантируя, что операции getter и setter полностью завершаются перед тем, как другие потоки получат доступ к свойству, в то время как неатомарные свойства предлагают более высокую производительность, но без защиты потокобезопасности, позволяя нескольким потокам одновременно получать доступ к свойству.

Содержание

• Основные различия
• Последствия для потокобезопасности
• Соображения по производительности
• Практические рекомендации по использованию
• Детали реализации
• Поведение по умолчанию

Основные различия

Три стиля объявления свойств, которые вы показали, имеют важные функциональные различия:

@property(nonatomic, retain) UITextField *userName;  // Явный nonatomic
@property(atomic, retain) UITextField *userName;     // Явный atomic
@property(retain) UITextField *userName;            // Поведение по умолчанию (atomic)

Атомарные свойства (третье объявление и явное второе):

• Используют механизмы блокировки (обычно NSLock) для обеспечения потокобезопасности
• Гарантируют, что getter всегда возвращает полное значение, а setter полностью устанавливает значение
• Предоставляют надежный доступ в многопоточной среде
• Являются поведением по умолчанию, когда не указан спецификатор атомарности

Неатомарные свойства (первое объявление):

• Не реализуют никаких механизмов потокобезопасности
• Позволяют нескольким потокам одновременно получать доступ к свойству
• Предлагают лучшую производительность из-за отсутствия накладных расходов на блокировку
• Могут привести к несогласованным значениям при одновременном доступе

Ключевое замечание: Согласно документации Apple, “Свойства являются атомарными по умолчанию, поэтому синтезированные методы доступа обеспечивают надежный доступ к свойствам в многопоточной среде — то есть значение, возвращаемое getter или установленное через setter, всегда полностью извлекается или устанавливается независимо от того, какие другие потоки выполняются одновременно”.

Последствия для потокобезопасности

Атомарные свойства:

• Обеспечивают атомарность операций getter/setter
• Предотвращают чтение неполных или поврежденных значений при одновременной записи
• Mozilla Developer Network объясняет, что атомарные свойства “гарантируют, что getter всегда возвращает полное значение, а setter полностью устанавливает значение, независимо от деятельности других потоков”
• Однако они не делают весь объект потокобезопасным — только доступ к отдельному свойству

Неатомарные свойства:

• Несколько потоков могут одновременно читать и записывать значения
• Риск чтения промежуточных или поврежденных значений при одновременных операциях
• Как отмечено в обсуждениях на Stack Overflow, “Поток B освобождает объект. Поток А взрывается” в сценариях, где неатомарные свойства доступны одновременно

Соображения по производительности

Атомарные свойства:

• Более низкая производительность из-за накладных расходов на блокировку
• Каждый доступ требует получения и освобождения блокировок
• Как отмечено в анализе Repeato, “Атомарные: Обеспечивают потокобезопасность путем блокировки потока с помощью NSLOCK”
• Штраф за производительность обычно заметен в сценариях с высокой частотой доступа

Неатомарные свойства:

• Более высокая производительность из-за прямого доступа к значениям
• Нет накладных расходов на механизм блокировки
• Как объясняет iOS Dev Hub, “неатомарные свойства более производительны и являются нормой для большинства свойств Objective-C, особенно связанных с UI”

Практическое влияние на производительность:

• Для свойств, связанных с UI (которые обычно выполняются в основном потоке), предпочтительны nonatomic
• Для фоновых потоков, обращающихся к общим данным, atomic обеспечивает базовую защиту
• Разница в производительности обычно незначительна для редко используемых свойств

Практические рекомендации по использованию

Когда использовать атомарные свойства:

• При работе с общими данными в многопоточной среде
• Когда нужно предотвратить чтение неполных или поврежденных значений
• Для свойств, к которым осуществляется одновременный доступ и требуется базовая согласованность

Когда использовать неатомарные свойства:

• Свойства, связанные с UI (большинство представлений и элементов управления)
• Критически важные для производительности участки кода
• Свойства, к которым в основном обращается один поток
• Когда вы реализуете собственные механизмы потокобезопасности

Рекомендация эксперта: Как отмечено на Nabeel Writes, “По умолчанию все свойства являются атомарными”, но “неатомарные = быстрее, чем атомарные, потому что все задачи, связанные с UI, выполняются в основном потоке, поэтому зачем использовать атомарные? Оставляйте их неатомарными”

Детали реализации

Реализация атомарных свойств:

• Использует синхронизирующие блокировки (NSLock или аналогичные)
• Getter обычно выглядит так:

- (UITextField *)userName {
    @synchronized(self) {
        return _userName;
    }
}

• Setter включает аналогичную блокировку для обеспечения атомарности операции

Реализация неатомарных свойств:

• Прямой доступ к свойству без синхронизации
• Getter просто возвращает переменную экземпляра:

- (UITextField *)userName {
    return _userName;
}

• Setter выполняет прямое присваивание:

- (void)setUserName:(UITextField *)userName {
    _userName = userName;
}

Важное уточнение: Как объясняет Yogev Sitton, “Атомарность не означает потокобезопасность” — она гарантирует только, что отдельные операции доступа к свойству являются атомарными, но не то, что весь объект является потокобезопасным.

Поведение по умолчанию

Неявное атомарное объявление:

• Свойства, объявленные без явного спецификатора атомарности, являются атомарными по умолчанию
• @property(retain) UITextField *userName; функционально идентично @property(atomic, retain) UITextField *userName;
• Такое поведение по умолчанию обеспечивает надежный доступ в многопоточной среде

Почему atomic является значением по умолчанию:

• Обеспечивает лучшую безопасность в многопоточных сценариях
• Предотвращает распространенные проблемы с параллелизмом, такие как чтение неполных значений
• Как stated in документации Apple, это обеспечивает “надежный доступ к свойствам в многопоточной среде”

Примечание об интеграции со Swift: При импорте свойств Objective-C в Swift гарантии атомарности сохраняются, хотя в Swift нет спецификаторов atomic/nonatomic, как отмечено в документации Apple по Swift.

Заключение

Различия между atomic и nonatomic свойствами в Objective-C сводятся к гарантиям потокобезопасности и компромиссам в производительности:

1. Атомарные свойства обеспечивают потокобезопасный доступ через механизмы блокировки, гарантируя, что getter и setter возвращают/устанавливают полные значения, но за счет накладных расходов на производительность.

2. Неатомарные свойства предлагают более высокую производительность за счет устранения блокировок, но без защиты потокобезопасности, что делает их подходящими для однопоточных контекстов, таких как разработка UI.

3. Поведение по умолчанию делает все свойства атомарными, если они не явно объявлены как nonatomic, обеспечивая надежность в многопоточной среде по умолчанию.

4. Практическое руководство: Используйте nonatomic для большинства свойств, связанных с UI, и критически важных для производительности участков кода, в то время как atomic обеспечивает базовую защиту для общих данных в многопоточных сценариях.

5. Важное ограничение: Даже атомарные свойства не гарантируют полной потокобезопасности объекта — они обеспечивают атомарность только отдельных операций доступа к свойству.

Источники

1. Официальная документация Apple - Объявленные свойства
2. Stack Overflow - В чем разница между атрибутами atomic и nonatomic?
3. Repeato - Понимание различий между atomic и nonatomic атрибутами
4. Medium - Краткий курс по атомарным и неатомарным свойствам
5. iOS Dev Hub - Атомарные и неатомарные свойства
6. Nabeel Writes - Атомарные vs неатомарные свойства
7. Форумы Apple - Свойства ссылочных типов atomic vs nonatomic
8. Stack Overflow - Атомарные свойства vs потокобезопасность