Swift Array copy 的線程安全問題

NSArray 繼承自 NSObject，屬於對象，有 copy 方法。Swift 的 Array 是 struct，沒有 copy 方法。把一個 Array 變量賦值給另一個變量，兩個變量的內存地址相同嗎？與此相關的有多線程安全問題。本文探究這兩個問題。

內存地址

定義測試 class 和 struct

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

struct MyStructElement {}

class MyClassElement {}

定義輸出內存地址的 closure

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

測試 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 中進行測試

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

結果

Int array 的內存地址不同，賦值過程發生了 copy。

測試 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 中進行測試

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

結果

Struct array 的內存地址不同，賦值過程發生了 copy。

測試 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 中進行測試

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

結果

一個 object array 變量賦值給另一個變量，兩個變量的內存地址相同，也就是說沒有 copy。原來的 array 改變后，內存地址改變，但不影響被賦值的變量。

線程安全問題

以上的寫法是不會報錯的。如果把 array 的賦值寫入 async closure，就會報錯。多試幾次，會有不同的錯誤。

Int array 的錯誤

DispatchQueue.global().async {
	let arr = my.intArr // 在這里賦值會報錯
	var sum = 0
	for i in arr {
		sum += i
	}
	print("Sum:", sum)
}

Struct array 的錯誤

DispatchQueue.global().async {
	let arr = my.structArr // 在這里賦值會報錯
	var sum = 0
	for _ in arr {
		sum += 1
	}
	print("Sum:", sum)
}

Object array 的錯誤

DispatchQueue.global().async {
	let arr = my.objectArr // 在這里賦值會報錯
	var sum = 0
	for _ in arr {
		sum += 1
	}
	print("Sum:", sum)
}

對於 Int array 和 struct array 來說，賦值時進行了 copy，但這個步驟應該不是原子操作，所以放入 async closure 會出錯。對於 object array 來說，賦值過程雖然沒有進行 copy，但是要改變原來的 array 並且保持被賦值的對象不變，應該也要進行 copy；也就是說在更新 array 時才進行 copy。推測此時的 copy 也不是原子操作，所以放入 async closure 會出錯。

Array 的賦值過程是否進行 copy，與其中的元素類型有關。如果 array 的元素是 Int、struct 等，在賦值時就 copy。如果 array 的元素是 object，在賦值時不 copy，賦值后在更新其中一個 array 變量時才 copy。Array 的 copy 是線程不安全的。

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