Swift Array copy 的线程安全问题

NSArray 继承自 NSObject，属于对象，有 copy 方法。Swift 的 Array 是 struct，没有 copy 方法。把一个 Array 变量赋值给另一个变量，两个变量的内存地址相同吗？与此相关的有多线程安全问题。本文探究这两个问题。

内存地址

定义测试 class 和 struct

class MyClass {    
    var intArr = [Int]()    var structArr = [MyStructElement]()    var objectArr = [MyClassElement]()
}struct MyStructElement {}class MyClassElement {}

定义输出内存地址的 closure

let memoryAddress: (Any) -> String = {    guard let cVarArg = $0 as? CVarArg else { return "Can not find memory address" }    return String(format: "%p", cVarArg)
}

测试 Int array

private func testIntArr() {    print(#function)    
    let my = MyClass()    for i in 0...10000 {
        my.intArr.append(i)
    }    print("Before arr address:", memoryAddress(my.intArr))        
    // Copy Array is NOT thread safe
    let arr = my.intArr // If move this into async closure, crash
    print("Temp   arr address:", memoryAddress(arr)) // Copy. Address different from my.intArr
    DispatchQueue.global().async {        var sum = 0
        for i in arr {
            sum += i
        }        print("Sum:", sum) // 0 + 1 + ... + 10000 = 50005000
    }
    
    my.intArr.removeAll()    for _ in 0...10000 {
        my.intArr.append(0)
    }    print("After  arr address:", memoryAddress(my.intArr)) // New address}

在 view controller 中进行测试

override func viewDidLoad() {    super.viewDidLoad()    
    for _ in 0...1000 {
        testIntArr()
    }
}

结果

Int array 的内存地址不同，赋值过程发生了 copy。

测试 struct array

private func testStructArr() {    print(#function)    
    let my = MyClass()    for _ in 0...10000 {
        my.structArr.append(MyStructElement())
    }    print("Before arr address:", memoryAddress(my.structArr))    
    // Copy Array is NOT thread safe
    let arr = my.structArr // If move this into async closure, crash
    print("Temp   arr address:", memoryAddress(arr)) // Copy. Address different from my.structArr
    DispatchQueue.global().async {        var sum = 0
        for _ in arr {
            sum += 1
        }        print("Sum:", sum) // 10001
    }
        
    my.structArr.removeAll()    for _ in 0...10000 {
        my.structArr.append(MyStructElement())
    }    print("After  arr address:", memoryAddress(my.structArr)) // New address}

在 view controller 中进行测试

override func viewDidLoad() {    super.viewDidLoad()    
    for _ in 0...1000 {
        testStructArr()
    }
}

结果

Struct array 的内存地址不同，赋值过程发生了 copy。

测试 Object array

private func testObjectArr() {    print(#function)    
    let my = MyClass()    for _ in 0...10000 {
        my.objectArr.append(MyClassElement())
    }    print("Before arr address:", memoryAddress(my.objectArr))    
    // Copy Array is NOT thread safe
    let arr = my.objectArr // If move this into async closure, crash
    print("Temp   arr address:", memoryAddress(arr)) // Not copy. Same as my.objectArr
    DispatchQueue.global().async {        var sum = 0
        for _ in arr {
            sum += 1
        }        print("Sum:", sum) // 10001
    }
        
    my.objectArr.removeAll()    for _ in 0...10000 {
        my.objectArr.append(MyClassElement())
    }    print("After  arr address:", memoryAddress(my.objectArr)) // New address}

在 view controller 中进行测试

override func viewDidLoad() {    super.viewDidLoad()    
    for _ in 0...1000 {
        testObjectArr()
    }
}

结果

一个 object array 变量赋值给另一个变量，两个变量的内存地址相同，也就是说没有 copy。原来的 array 改变后，内存地址改变，但不影响被赋值的变量。

线程安全问题

以上的写法是不会报错的。如果把 array 的赋值写入 async closure，就会报错。多试几次，会有不同的错误。

Int array 的错误

DispatchQueue.global().async {    let arr = my.intArr // 在这里赋值会报错
    var sum = 0
    for i in arr {
        sum += i
    }    print("Sum:", sum)
}

Struct array 的错误

DispatchQueue.global().async {    let arr = my.structArr // 在这里赋值会报错
    var sum = 0
    for _ in arr {
        sum += 1
    }    print("Sum:", sum)
}

Object array 的错误

DispatchQueue.global().async {    let arr = my.objectArr // 在这里赋值会报错
    var sum = 0
    for _ in arr {
        sum += 1
    }    print("Sum:", sum)
}

对于 Int array 和 struct array 来说，赋值时进行了 copy，但这个步骤应该不是原子操作，所以放入 async closure 会出错。对于 object array 来说，赋值过程虽然没有进行 copy，但是要改变原来的 array 并且保持被赋值的对象不变，应该也要进行 copy；也就是说在更新 array 时才进行 copy。推测此时的 copy 也不是原子操作，所以放入 async closure 会出错。

Array 的赋值过程是否进行 copy，与其中的元素类型有关。如果 array 的元素是 Int、struct 等，在赋值时就 copy。如果 array 的元素是 object，在赋值时不 copy，赋值后在更新其中一个 array 变量时才 copy。Array 的 copy 是线程不安全的。