iOS 多线程原理

本文的目的在于了解进程、线程、多线程、线程池等的基本概念及原理

线程和进程

线程和进程的定义

线程

线程时进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行
进程要想执行任务，必须的有线程，进程至少要有一条线程
程序启动会默认开启一条线程，这条线程被称为 主线程 或者 UI线程

进程

进程是指在系统中正在运行的一个应用程序
每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用的且受保护的内存空间内
通过“活动监视器”可以查看mac系统中所开启的线程

所以，可以简单的理解为：进程是线程的容器，而线程用来执行任务。在iOS中是单进程开发，一个进程就是一个app，进程之间是相互独立的，如支付宝、微信、qq等，这些都是属于不同的进程

进程与线程的关系

进程与线程之间的关系主要涉及两个方面：

地址空间
- 同一个进程的线程共享本进程的地址空间
- 而进程之间则是独立的地址空间
资源拥有
- 同一个进程内线程共享本进程的资源，如内存、I/O、cpu等
- 但是进程之间资源是独立的

两个之间的关系就相当于工厂与流水线的关系，工厂与工厂之间是相互独立的，而工厂中的流水线是共享工厂的资源的，即 进程相当于一个工厂，线程相当于工厂中的一条流水线

针对进程和线程，还有以下几点说明：

1: 多进程要比多线程健壮
- 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响
- 而一个线程崩溃整个进程都死掉
2: 使用场景：频繁切换、并发操作
- 进程切换时，消耗的资源大，效率高。所以涉及到频繁的切换时，使用线程要好于进程。
- 同样如果要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程不能用进程
3: 执行过程
- 每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口
- 但是 线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。
4: 线程是处理器调度的基本单位，但是进程不是。
5: 线程没有地址空间,线程包含在进程地址空间中

线程和Runloop的关系

1:runloop与线程是一一对应的，一个runloop对应一个核心的线程，为什么说是核心的，是因为runloop是可以嵌套的，但是核心的只能有一个，他们的关系保存在一个全局的字典里。
2:runloop是来管理线程的，当线程的runloop被开启后，线程会在执行完任务后进入休眠状态，有了任务就会被唤醒去执行任务。
3:runloop在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁。
4:对于主线程来说，runloop在程序一启动就默认创建好了。
5:对于子线程来说，runloop是懒加载的，只有当我们使用的时候才会创建，所以在子线程用定时器要注意:确保子线程的runloop被创建，不然定时器不会回调。

多线程

多线程原理

对于单核CPU，同一时间，CPU只能处理一条线程，即只有一条线程在工作，
iOS中的多线程同时执行的本质是 CPU在多个任务直接进行快速的切换，由于CPU调度线程的时间足够快，就造成了多线程的“同时”执行的效果。其中切换的时间间隔就是时间片

多线程意义

优点

能适当提高程序的执行效率
能适当提高资源的利用率，如CPU、内存
线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁

缺点

开启线程需要占用一定的内存空间，默认情况下，每一个线程占用512KB
如果开启大量线程，会占用大量的内存空间，降低程序的性能
线程越多，CPU在调用线程上的开销就越大
程序设计更加复杂，比如线程间的通信，多线程的数据共享

多线程生命周期

多线程的生命周期主要分为5部分：新建 - 就绪 - 运行 - 阻塞 - 死亡，如下图所示

image
新建：主要是实例化线程对象
就绪：线程对象调用start方法，将线程对象加入可调度线程池，等待CPU的调用，即调用start方法，并不会立即执行，进入就绪状态，需要等待一段时间，经CPU调度后才执行，也就是从就绪状态进入运行状态
运行：CPU负责调度可调度线城市中线程的执行，在线程执行完成之前，其状态可能会在就绪和运行之间来回切换，这个变化是由CPU负责，开发人员不能干预。
阻塞：当满足某个预定条件时，可以使用休眠，即sleep，或者同步锁，阻塞线程执行。当进入sleep时，会重新将线程加入就绪中。下面关于休眠的时间设置，都是NSThread的
- sleepUntilDate: 阻塞当前线程，直到指定的时间为止，即休眠到指定时间
- sleepForTimeInterval: 在给定的时间间隔内休眠线程，即指定休眠时长
- 同步锁：@synchronized(self)：
死亡：分为两种情况
- 正常死亡，即线程执行完毕
- 非正常死亡，即当满足某个条件后，在线程内部（或者主线程中）终止执行（调用exit方法等退出）

简要说明，就是处于运行中的线程拥有一段可以执行的时间（称为时间片），

如果时间片用尽，线程就会进入就绪状态队列
如果时间片没有用尽，且需要开始等待某事件，就会进入阻塞状态队列
等待事件发生后，线程又会重新进入就绪状态队列
每当一个线程离开运行，即执行完毕或者强制退出后，会重新从就绪状态队列中选择一个线程继续执行

线程的exit和cancel说明

exit：一旦强行终止线程，后续的所有代码都不会执行

- `cancel`：取消当前线程，但是不能取消正在执行的线程

【面试题】线程的优先级越高，是不是意味着任务的执行越快？

并不是，线程执行的快慢，除了要看优先级，还需要查看资源的大小（即任务的复杂度）、以及 CPU 调度情况。在NSThread中，线程优先级threadPriority已经被服务质量qualityOfService取代，以下是相关的枚举值

线程池原理

【第一步】判断核心线程池是否都正在执行任务
- 返回NO，创建新的工作线程去执行
- 返回YES，进入【第二步】
【第二步】判断线程池工作队列是否已经饱满
- 返回NO，将任务存储到工作队列，等待CPU调度
- 返回YES，进入【第三步】
【第三步】判断线程池中的线程是否都处于执行状态
- 返回NO，安排可调度线程池中空闲的线程去执行任务
- 返回YES，进入【第四步】
【第四步】交给饱和策略去执行，主要有以下四种（在iOS中并没有找到以下4种策略）
- AbortPolicy：直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行
- CallerRunsPolicy：将任务回退到调用者
- DisOldestPolicy：丢掉等待最久的任务
- DisCardPolicy：直接丢弃任务

iOS中多线程的实现方案

iOS中的多线程实现方式，主要有四种：pthread、NSThread、GCD、NSOperation，汇总如图所示

image

下面是以上四种方案的简单示例

// *********1: pthread*********
pthread_t threadId = NULL;
//c字符串
char *cString = "HelloCode";
/**
 pthread_create 创建线程
 参数：
 1\. pthread_t：要创建线程的结构体指针，通常开发的时候，如果遇到 C 语言的结构体，类型后缀 `_t / Ref` 结尾
 同时不需要 `*`
 2\. 线程的属性，nil(空对象 - OC 使用的) / NULL(空地址，0 C 使用的)
 3\. 线程要执行的`函数地址`
 void *: 返回类型，表示指向任意对象的指针，和 OC 中的 id 类似
 (*): 函数名
 (void *): 参数类型，void *
 4\. 传递给第三个参数(函数)的`参数`
 */
int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
if (result == 0) {
    NSLog(@"成功");
} else {
    NSLog(@"失败");
}

//*********2、NSThread*********
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadTest) toTarget:self withObject:nil];

//*********3、GCD*********
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self threadTest];
});

//*********4、NSOperation*********
[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
    [self threadTest];
}];

- (void)threadTest{
    NSLog(@"begin");
    NSInteger count = 1000 * 100;
    for (NSInteger i = 0; i < count; i++) {
        // 栈区
        NSInteger num = i;
        // 常量区
        NSString *name = @"zhang";
        // 堆区
        NSString *myName = [NSString stringWithFormat:@"%@ - %zd", name, num];
        NSLog(@"%@", myName);
    }
    NSLog(@"over");
}

void *pthreadTest(void *para){
    // 接 C 语言的字符串
    //    NSLog(@"===> %@ %s", [NSThread currentThread], para);
    // __bridge 将 C 语言的类型桥接到 OC 的类型
    NSString *name = (__bridge NSString *)(para);

    NSLog(@"===>%@ %@", [NSThread currentThread], name);

    return NULL;
}

C和OC的桥接

其中涉及C与OC的桥接，有以下几点说明

__bridge只做类型转换，但是不修改对象(内存)管理权
__bridge_retained(也可以使用CFBridgingRetain)将Objective-C的对象转换为 Core Foundation的对象，同时将对象(内存)的管理权交给我们，后续需要使用 CFRelease或者相关方法来释放对象
__bridge_transfer(也可以使用CFBridgingRelease)将Core Foundation的对象转换为Objective-C的对象，同时将对象(内存)的管理权交给ARC。

线程安全问题

当多个线程同时访问一块资源时，容易引发数据错乱和数据安全问题，有以下两种解决方案

互斥锁（即同步锁）：@synchronized
自旋锁

互斥锁

用于保护临界区，确保同一时间，只有一条线程能够执行
如果代码中只有一个地方需要加锁，大多都使用 self，这样可以避免单独再创建一个锁对象
加了互斥锁的代码，当新线程访问时，如果发现其他线程正在执行锁定的代码，新线程就会进入休眠

针对互斥锁，还需要注意以下几点：

互斥锁的锁定范围，应该尽量小，锁定范围越大，效率越差
能够加锁的任意 NSObject 对象
锁对象一定要保证所有的线程都能够访问

自旋锁

自旋锁与互斥锁类似，但它不是通过休眠使线程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（即原地打转，称为自旋）阻塞状态
使用场景：锁持有的时间短，且线程不希望在重新调度上花太多成本时，就需要使用自旋锁，属性修饰符atomic，本身就有一把自旋锁
加入了自旋锁，当新线程访问代码时，如果发现有其他线程正在锁定代码，新线程会用死循环的方法，一直等待锁定的代码执行完成，即不停的尝试执行代码，比较消耗性能

【面试题】：自旋锁 vs 互斥锁

同：在同一时间，保证了只有一条线程执行任务，即保证了相应同步的功能
不同：
- 互斥锁：发现其他线程执行，当前线程 休眠（即就绪状态），进入等待执行，即挂起。一直等其他线程打开之后，然后唤醒执行
- 自旋锁：发现其他线程执行，当前线程 一直询问（即一直访问），处于忙等状态，耗费的性能比较高
场景：根据任务复杂度区分，使用不同的锁，但判断不全时，更多是使用互斥锁去处理
- 当前的任务状态比较短小精悍时，用自旋锁
- 反之的，用互斥锁

atomic 原子锁 & nonatomic 非原子锁

atomic 和 nonatomic主要用于属性的修饰，以下是相关的一些说明：

atomic是原子属性，是为多线程开发准备的，是默认属性！
- 仅仅在属性的 setter 方法中，增加了锁(自旋锁)，能够保证同一时间，只有一条线程对属性进行写操作
- 同一时间单(线程)写多(线程)读的线程处理技术
- Mac开发中常用
nonatomic 是非原子属性
- 没有锁！性能高！
- 移动端开发常用

【面试题】atomic与nonatomic 的区别

nonatomic
- 非原子属性
- 非线程安全，适合内存小的移动设备
atomic
- 原子属性(线程安全)，针对多线程设计的，默认值
- 保证同一时间只有一个线程能够写入(但是同一个时间多个线程都可以取值)
- atomic 本身就有一把锁(自旋锁) 单写多读:单个线程写入，多个线程可以读取
- 线程安全，需要消耗大量的资源

iOS 开发的建议

所有属性都声明为 nonatomic
尽量避免多线程抢夺同一块资源尽量将加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务器端处理，减小移动客户端的压力

线程间通讯

在Threading Programming Guide文档中，提及，线程间的通讯有以下几种方式