原子属性和非原子属性有什么区别？

Question

在属性声明中，atomic和nonatomic是什么意思？

@property(nonatomic, retain) UITextField *userName;
@property(atomic, retain) UITextField *userName;
@property(retain) UITextField *userName;

这三者之间的操作区别是什么？

- Squeegy

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https://developer.apple.com/library/mac/#documentation/Cocoa/Conceptual/Multithreading/Introduction/Introduction.html#//apple_ref/doc/uid/10000057i - SirRupertIII

Answer 1

最后两个是相同的；"atomic"是默认行为（请注意，它实际上并不是关键字；它仅由缺少nonatomic指定 - 最近版本的llvm / clang中添加了atomic作为关键字）。 假设您正在@synthesize方法实现，atomic与非原子会更改生成的代码。如果您编写自己的setter/getters，atomic/nonatomic/retain/assign/copy只是建议性的。（注意：在最近版本的LLVM中，默认行为是@synthesize。也没有必要声明实例变量；它们也将自动合成，并且将在其名称前面加上_以防止意外直接访问）。 使用"atomic"，合成的setter/getter将确保始终从getter返回整个值或被setter设置的值，而不管其他线程上的setter活动如何。也就是说，如果线程A在调用getter时，线程B调用setter，那么一个实际可用的值（很可能是自动释放的对象）将返回给A的调用者。 在nonatomic中，不会做出任何此类保证。因此，nonatomic比"atomic"快得多。 "atomic"不保证任何线程安全。如果线程A同时调用getter和线程B和C调用具有不同值的setter，则线程A可能会返回三个值中的任何一个值--先于调用任何setter的值或传递到B和C setter中的任何值中的任何一个值。同样，对象可能会最终具有从B或C得到的值，无法确定。 确保数据完整性（多线程编程的主要挑战之一）是通过其他方式实现的。 此外： 单个属性的“原子性”在涉及多个相关属性时也不能保证线程安全。 考虑：

 @property(atomic, copy) NSString *firstName;
 @property(atomic, copy) NSString *lastName;
 @property(readonly, atomic, copy) NSString *fullName;

在这种情况下，线程A可能通过调用setFirstName：然后调用setLastName：来重命名对象。与此同时，线程B可能会在线程A的两次调用之间调用fullName，并将得到新的名字和旧姓氏组合起来的结果。 为了解决这个问题，您需要一个事务性模型。也就是说，需要一些其他类型的同步和/或排除，以允许在更新相关属性时排除对fullName的访问。

- bbum

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既然任何线程安全的代码都会进行自己的锁定等操作，那么什么情况下您希望使用原子属性访问器呢？我很难想出一个好的例子。 - Daniel Dickison

@bbum的评论很有道理。我喜欢你对另一个回答的评论，即线程安全更多是一个模型级别的关注点。来自IBM线程安全定义的观点是：“如果一个类被正确实现，也就是说它符合其规范，那么在该类的对象上执行的任何一系列操作（读取或写入公共字段和调用公共方法）都不应该将对象置于无效状态、观察到对象处于无效状态或违反类的任何不变量、前置条件或后置条件。” - Ben Flynn

这是一个类似于@StevenKramer的例子：我有一个@property NSArray* astronomicalEvents;，它列出了我想在UI中显示的数据。当应用程序启动时，指针指向一个空数组，然后应用程序从Web上获取数据。当Web请求完成（在不同的线程中）时，应用程序会构建一个新数组，然后原子地将属性设置为新的指针值。这是线程安全的，我不必编写任何锁定代码，除非我漏掉了什么。对我来说看起来相当有用。 - bugloaf

在某些架构上（记不清是哪个），将64位值作为参数传递时，可能会一半存放在寄存器中，另一半存放在堆栈中。使用“atomic”可以防止跨线程读取半个值。 （这是一个有趣的错误追踪过程。） - bbum

@congliu 线程A返回一个对象，没有使用retain/autorelease技巧。线程B释放该对象。线程A出现问题。atomic确保线程A对返回值有一个强引用(即+1的保留计数)。 - bbum

Answer 2

这在苹果的文档中有详细解释，但以下是一些实际发生的情况示例。

请注意，没有 "atomic" 关键字，如果你不指定 "nonatomic"，那么属性是原子的，但显式指定 "atomic" 将导致错误。

如果您不指定 "nonatomic"，则属性是原子的，但如果您想要的话，最近的版本仍然可以显式指定 "atomic"。

//@property(nonatomic, retain) UITextField *userName;
//Generates roughly

- (UITextField *) userName {
    return userName;
}

- (void) setUserName:(UITextField *)userName_ {
    [userName_ retain];
    [userName release];
    userName = userName_;
}

现在，原子变量的情况要复杂一些：

//@property(retain) UITextField *userName;
//Generates roughly

- (UITextField *) userName {
    UITextField *retval = nil;
    @synchronized(self) {
        retval = [[userName retain] autorelease];
    }
    return retval;
}

- (void) setUserName:(UITextField *)userName_ {
    @synchronized(self) {
      [userName_ retain];
      [userName release];
      userName = userName_;
    }
}

简单来说，原子版本必须获取锁才能保证线程安全，同时还会增加对象的引用计数（以及自动释放计数器以平衡它），这样可以确保对象存在于调用者中，否则如果另一个线程正在设置值，可能会出现竞争条件，导致引用计数降为0。

实际上，这些东西有很多不同的变体，具体取决于属性是标量值还是对象，以及如何处理保留、复制、只读、非原子等相互作用。总的来说，属性合成器知道如何对所有组合做出“正确的事情”。

- Louis Gerbarg

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@Louis Gerbarg: 我相信你提供的 (nonatomic, retain) setter 如果尝试分配相同的对象(即：userName == userName_)，将无法正常工作。 - Florin

你的代码有点误导人，原子 Getters/Setters 并没有保证同步。尤其是 @property (assign) id delegate; 没有在任何东西上同步(iOS SDK GCC 4.2 ARM -Os)，这意味着 [self.delegate delegateMethod:self]; 和 foo.delegate = nil; self.foo = nil; [super dealloc]; 之间存在竞争。详见 https://dev59.com/ZnNA5IYBdhLWcg3wjOlS。 - tc.

@fyolnish 我不确定 _val/val 是什么，但是不是。原子 copy/retain 属性的 getter 需要确保它不会返回一个对象，因为在另一个线程中调用了 setter 导致其引用计数变为零，这基本上意味着它需要读取 ivar，保留它同时确保 setter 没有覆盖并释放它，然后自动释放它以平衡保留。这基本上意味着 getter 和 setter 都必须使用锁定（如果内存布局固定，则应该可以使用 CAS2 指令；遗憾的是 -retain 是一个方法调用）。 - tc.

@tc 已经有一段时间了，但我想写的可能是这个：https://gist.github.com/fjolnir/5d96b3272c6255f6baae 但是，在 setFoo: 返回之前，旧值可能会被读取并在读取器返回之前释放。但是，如果 setter 使用 -autorelease 而不是 -release，那么可能会解决这个问题。 - Fjölnir

很遗憾，不行：它在setter的线程上自动释放，而需要在getter的线程上自动释放。此外，由于使用递归，似乎存在（微小的）堆栈耗尽的可能性。 - tc.

我们能否修复这个答案以回应@Florin的评论？我也注意到了同样的问题并来到这里发表评论。 - kevlar

Answer 3

原子操作

• 是默认行为
• 确保CPU在另一个进程访问变量之前完成当前进程的操作
• 速度较慢，因为它完全确保了进程的操作

非原子操作

• 不是默认行为
• 速度较快（适用于使用@property和@synthesize创建的变量的合成代码）
• 不支持多线程安全
• 当两个不同进程同时访问同一变量时，可能会导致意外行为

- raw3d

Answer 4

理解这种差异的最好方法是使用以下示例。 假设有一个名为“name”的原子字符串属性，如果您从线程A调用[self setName:@"A"]，从线程B调用[self setName:@"B"]，并从线程C调用[self name]，则不同线程上的所有操作都将按顺序执行，这意味着如果一个线程正在执行设置器或获取器，则其他线程将等待。 这使属性“name”具有读/写安全性，但如果另一个线程D同时调用[name release]，则此操作可能会导致崩溃，因为此处没有涉及设置器/获取器调用。这意味着对象具有读/写安全性（原子性），但不具备线程安全性，因为其他线程可以同时向对象发送任何类型的消息。开发人员应确保对此类对象进行线程安全性。 如果属性“name”为非原子性，则上述示例中的所有线程 - A、B、C和D都将同时执行，从而产生任何不可预测的结果。在原子性情况下，A、B或C中的一个将首先执行，但仍然可以并行执行D。

- Vijayendra

Answer 5

语法和语义已经由其他优秀的答案详细解释了。因为“执行”和“性能”没有被充分详细说明，所以我想要补充我的答案。

这3种属性之间的功能差异是什么？

我一直认为原子属性作为默认选项相当奇怪。在我们工作的抽象级别上，使用原子属性作为实现100％线程安全的手段是一个特例。对于真正正确的多线程程序，几乎肯定需要程序员干预。同时，性能特征和执行尚未被深入详述。多年来，我编写了一些高度多线程的程序，我一直将我的属性声明为nonatomic，因为原子属性对任何目的都不明智。在讨论原子和非原子属性的细节时，我遇到了一些有趣的结果（链接）。

执行

首先，我想澄清的第一件事是锁定实现是由实现定义的且被抽象化的。Louis 在他的示例中使用了@synchronized(self)，我曾看到过这是一种常见的困惑源泉。实现实际上不使用@synchronized(self)；它使用对象级的自旋锁。Louis 的示例对于使用我们都熟悉的构造进行高层次说明非常好，但是了解它并不使用@synchronized(self)很重要。

另一个区别是原子属性将在getter方法中保留/释放您的对象。

性能

有趣的是，在非争用（例如单线程）情况下使用原子属性访问的性能在某些情况下确实非常快。在不太理想的情况下，使用原子访问的开销可能比nonatomic的开销要高出20倍以上。其中使用7个线程的争用情况，对于三字节结构来说慢了44倍（2.2 GHz的Core i7 Quad Core，x86_64）。三字节结构是一个非常慢的属性的例子。

有趣的是三字节结构的用户定义访问器比合成的原子访问器快52倍；或者相当于合成的非原子访问器的84%的速度。

在竞争的情况下，对象的开销也可能超过50倍。

由于优化和实现的变化很多，所以在这些情况下测量真实世界的影响是相当困难的。你经常会听到类似于“除非你通过分析发现它是一个问题，否则就信任它”。由于抽象级别，实际上很难测量实际的影响。从分析数据中获取实际成本可能非常耗时，并且由于抽象层次的原因，结果也可能不太准确。此外，ARC与MRC也会产生很大的差异。

因此，让我们回到高层次的结果，不关注属性访问的实现细节，我们将包括像objc_msgSend这样的常见操作，并检查在非争用情况下多次调用NSString获取器的一些真实世界的高层次结果（单位为秒）：

• MRC | nonatomic | 手动实现getter：2
• MRC | nonatomic | 合成getter：7
• MRC | atomic | 合成getter：47
• ARC | nonatomic | 合成getter：38（注意：ARC在这里添加了引用计数轮换）
• ARC | atomic | 合成getter：47

你可能已经猜到了，在原子操作和自动引用计数（ARC）中，引用计数的活动/循环是一个重要的贡献因素。在有争议的情况下，你也会看到更大的差异。

尽管我非常关注性能，但我仍然说先确保语义! 同时，对于许多项目而言，性能并不是优先考虑的问题。 然而，了解所使用的技术的执行细节和成本肯定是有帮助的。 你应该根据你的需求、目的和能力选择正确的技术。希望这能为你节省几个比较的小时，并帮助你在设计程序时做出更好的决策。

- justin

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MRC | atomic | synthesized getter: 47 ARC | atomic | synthesized getter: 47 它们有什么相同之处？ARC 不应该有更多开销吗？ - SDEZero

那么，如果原子属性不好，为什么它们是默认的？为了增加样板代码吗？ - Kunal Balani

@LearnCocos2D 我刚在同一台机器上测试了10.8.5，针对10.8的单线程非争用情况下使用一个不是不朽的NSString： -ARC原子操作（基准）：100％ -ARC非原子操作，合成：94％ -ARC非原子操作，用户定义：86％ -MRC非原子操作，用户定义：5％ -MRC非原子操作，合成：19％ -MRC原子操作：102％ -- 今天的结果有些不同。我没有进行任何synchronized比较。@synchronized在语义上是不同的，如果您有非平凡的并发程序，我不认为它是一个好工具。如果需要速度，请避免使用synchronized。 - justin

你有这个测试在线上吗？我一直在这里添加我的：https://github.com/LearnCocos2D/LearnCocos2D/tree/master/Cocos2D-Performance-Test - CodeSmile

我总是觉得有趣的是，人们会争论是否要让某个东西变得非常快，或者是50倍的速度，但在这两者之间没有人能察觉到差别。这就像拥有一个视网膜屏幕和另一个分辨率高出50倍的屏幕一样。如果这种性能水平对任何人都没有影响，为什么要浪费资源呢？特别是当健壮的代码可以节省数天的调试时间时... - Bradley Thomas

Answer 6

原子性 = 线程安全

非原子性 = 不具备线程安全性

线程安全：

如果实例变量在多个线程中正确访问时，不受运行时环境的调度或交错执行的影响，并且在调用代码方面没有其他同步或协调的情况下，那么它是线程安全的。

在我们的上下文中：

如果一个线程更改了实例的值，则所有线程都可以访问更改后的值，同时只有一个线程可以更改该值。

何时使用 atomic ：

如果实例变量将在多线程环境中被访问，则应使用 atomic 。

Atomic 的含义：

atomic 不如 nonatomic 快，因为 nonatomic 不需要运行时进行任何监视工作。

何时使用nonatomic：

如果实例变量不会被多个线程更改，则可以使用nonatomic。这会提高性能。

- Durai Amuthan.H

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你在这里说的一切都是正确的，但最后一句话基本上是"错误的"，对于今天的编程来说这样做实在难以想象。你竟然会费心尝试用这种方式来"提高性能"，这真是不可思议。（我的意思是，在接近此时之前，你将“不使用ARC”，“不使用NSString因为它很慢！”等等）。举个极端的例子，这就像是说“团队，不要在代码中放任何注释，因为这会拖慢我们的速度。”在没有牺牲可靠性的情况下，不存在任何现实的开发流程能够希望获得（不存在的）理论性能收益。 - Fattie

@JoeBlow 这是一个可以在这里验证的事实：https：//developer.apple.com/library/mac/documentation/Cocoa/Conceptual/ProgrammingWithObjectiveC/EncapsulatingData/EncapsulatingData.html - Durai Amuthan.H

Durai，FWIW，那个链接直接反驳了你的“Atomic = thread safety”观点。苹果公司在文档中明确表示，“属性的原子性并不等同于对象的线程安全性。”在实践中，仅使用原子操作通常不足以实现线程安全。 - Rob

Answer 7

在阅读了许多文章、Stack Overflow帖子并制作演示应用程序以检查变量属性特性后，我决定将所有属性信息汇总：

1. atomic // 默认值
2. nonatomic
3. strong = retain // 默认值
4. weak = unsafe_unretained
5. retain
6. assign // 默认值
7. unsafe_unretained
8. copy
9. readonly
10. readwrite // 默认值

在文章iOS中的变量属性特性或修饰符中，您可以找到上述所有属性，并且这肯定会有所帮助。

1. atomic

   • atomic表示只有一个线程访问该变量（静态类型）。
   • atomic是线程安全的。
   • 但它在性能方面比较慢。
   • atomic是默认行为。
   • 在非垃圾收集环境中（即使用retain/release/autorelease时），原子访问器将使用锁来确保另一个线程不会干扰正确的值设置/获取。
   • 它实际上不是关键字。
     
     

   示例：

    @property (retain) NSString *name;

    @synthesize name;

nonatomic

• nonatomic表示变量可以被多个线程访问（动态类型）。
• nonatomic不保证线程安全。
• 但是它在性能方面很快。
• nonatomic不是默认行为。我们需要在属性中添加nonatomic关键字。
• 当两个不同的进程（线程）同时访问同一个变量时，可能会导致意外的行为。
  
  

示例：

    @property (nonatomic, retain) NSString *name;

    @synthesize name;

- swiftBoy

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分配和强引用/保留两者如何都可以是默认值？ - BangOperator

强引用（strong）是与 ARC 一起使用的，在 ARC 之前，retain 是默认选项。 - abdullahselek

Answer 8

我在这里找到了一个关于原子属性和非原子属性的解释（链接），这里有一些相关的内容：

'atomic' 意味着其不能被拆分。 在操作系统/编程术语中，原子函数调用是指无法被中断的函数 - 整个函数必须被执行，并且在完成之前不能被操作系统的常规上下文切换交换出CPU。只是以防万一您不知道：由于CPU一次只能做一件事情，所以操作系统会在小的时间片内轮流让所有运行中的进程访问CPU，以给予多任务的幻觉。CPU调度程序可以（并且确实）在执行过程的任何时候中断进程 - 甚至在函数调用中途。因此，对于像更新共享计数器变量这样的操作，如果两个进程尝试同时更新变量，则它们必须以“原子方式”执行，即每个更新操作必须在任何其他进程可以被交换到CPU之前全部完成。

因此，我猜在这种情况下，“原子”意味着属性读取方法无法被中断 - 实际上意味着被方法读取的变量不能在中途改变其值，因为某些其他线程/调用/函数被交换到CPU上。

atomic变量由于不能被中断，所以在任何时候都保证它们所包含的值是未被破坏的（线程锁），但是确保此线程锁会使访问它们变慢。non-atomic变量则没有这样的保证，但提供了更快的访问速度。总之，当您知道您的变量不会被多个线程同时访问并且需要加快速度时，请使用non-atomic。

- tipycalFlow

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链接已损坏。 ;( - Rob

这就是链接的问题 :( 幸运的是，我在我的答案中引用了相关的文本。 - tipycalFlow

Answer 9

原子性 :

原子性保证对属性的访问将以原子方式进行。例如，它总是返回一个完全初始化的对象，在一个线程上对属性的任何get/set必须在另一个线程可以访问它之前完成。

如果你想象以下函数同时在两个线程上发生，你会明白为什么结果不会很好。

-(void) setName:(NSString*)string
{
  if (name)
  {
    [name release]; 
    // what happens if the second thread jumps in now !?
    // name may be deleted, but our 'name' variable is still set!
    name = nil;
  }

  ...
}

优点： 每次返回完全初始化的对象，使其成为多线程情况下的最佳选择。

缺点： 性能受损，使执行速度稍微慢一些。

非原子性：

与原子性不同，它不能确保每次返回完全初始化的对象。

优点： 执行速度极快。

缺点： 在多线程情况下存在垃圾值的可能性。

- Andrew Grant

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这个评论意义不是很清楚，你能解释一下吗？如果你在苹果网站上看例子，那么 atomic 关键字会在更新其属性时对对象进行同步。 - Andrew Grant

Answer 10

首先回答最简单的问题：您的后两个示例没有区别。默认情况下，属性访问器是原子的。 在非垃圾回收环境中（即使用retain/release/autorelease时），原子访问器将使用锁来确保另一个线程不会干扰正确设置/获取值。 请参阅苹果的Objective-C 2.0文档中的“性能和线程”部分，了解更多信息以及在创建多线程应用程序时要考虑的其他因素。

- joconor

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两个原因。首先，对于合成代码，它生成更快的代码（但不是线程安全的代码）。其次，如果您正在编写不是原子访问器的客户访问器，它允许您为任何将来的用户注释代码的接口，告诉他们代码在读取时不是原子性的，而无需让他们了解实现细节。 - Louis Gerbarg

@Dogweather：请查看为什么Cocoa的IBOutlet属性默认是原子性的，而Cocoa Touch的不是？。 - Anoop Vaidya