11--多线程01--多线程概念（线程和进程）

[TOC]

一、线程和进程

1.1 线程的定义

线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务倒在线程中执行
进程要想执行任务，必须得有线程，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 UI 线程

1.2 进程的定义

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

1.3 iOS开发为什么是单进程的

沙盒-单进程数据更加隐私、安全
进程切换，消耗资源大

1.4 线程和队列的关系

线程和队列是两个完全独立的概念，线程是由系统分配、系统调度，队列是用来管理任务，开发者可以管理任务的串行、并行、优先级、先后顺序；
开发者管理任务队列，系统根据队列的属性，来给队列中的任务分配线程；
队列是提供给开发者使用的抽象概念，线程是由系统调度的真实对象，开发者可以通过管理队列来指定系统分配、调度线程的数量、顺序等。

- 任务执行速度：CPU、线程、队列、任务的复杂度、任务的优先级
- 大量的临时变量：使用 autorealease 处理

1.5 线程和进程的关系和区别

地址空间：同一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：同一进程内的线程共享进程的资源，如内存、I/O、cpu等，但是进程之间的资源是独立的
健壮性：一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都会死掉。多以多进程要比多线程健壮
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，只能使用线程不能用进程
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，必须依存于应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制
调度单位：线程是处理器调度的基本单位，但进程不是

1.6 进程和线程与堆和栈的关系

进程的地址空间
每个进程的地址空间是独立的，是操作系统把物理内存映射到进程的虚拟地址上。
进程只能访问自己的地址空间，不能访问别的进程的地址空间。
通俗的理解：如果有a.exe和b.exe同时在系统中运行，那么a和b都可以有0x00000000-0xffffffff的虚拟地址空间（不考虑操作系统占用等因素）。
假如a b都有1个变量在地址 0x12345678处，看起来地址一样，实际上在物理内存中不是一个地方。
进程是线程的容器，windows调度运行的单位是线程，一个进程至少有1个主线程。一个进程内所有的线程都处于同一个虚拟地址空间。
进程初始化的时候，系统会在进程的地址空间中创建一个堆，叫进程默认堆。进程中所有的线程共用这一个堆。当然，可以增加1个或几个堆，给不同的线程共同使用或单独使用。
创建线程的时候，系统会在进程的地址空间中分配1块内存给线程栈，通常是1MB。线程栈是独立的，不共享。iOS中是512KB

1.7 补充内存相关知识

内存五大分区
1、栈区（stack）：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区（heap）：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。new出来的放在这里。
3、全局区（静态区）：（static）全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。
4、文字常量区：常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放
5、程序代码区：存放函数体的二进制代码。
栈和堆的区别
- 管理方式不同。栈由操作系统自动分配释放，无需我们手动控制；堆的申请和释放工作由程序员控制，容易产生内存泄漏；
- 空间大小不同。每个进程拥有的栈的大小要远远小于堆的大小。理论上，程序员可申请的堆大小为虚拟内存的大小，进程栈的大小64bits的Windows默认1MB，64bits的Linux默认10MB；
- 生长方向不同。堆的生长方向向上，内存地址由低到高；栈的生长方向向下，内存地址由高到低。
- 分配方式不同。
  堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。
  栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是由操作系统完成的，比如局部变量的分配。
  栈的动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，栈的动态分配是由操作系统进行释放，无需我们手工实现。
- 分配效率不同。
  栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。
  堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制较为复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然，堆的效率比栈要低得多。

二、多线程

2.1 多线程的意义

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（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阿金（默认情况下，每一个线程都占 512 KB）
- 如果开启大量的线程，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

2.2 多线程的原理

CPU 在单位时间片里快速在各个线程之间切换

单线程
单核 CPU
```
单线程
    任务1
    任务2
    任务3
```
- 其本质也是单线程，一次只能执行一个任务
- 单核 CPU的多线程是通过任务1执行一部分再执行任务2再切换任务3，这种方式达到多线程的效果
- 不停切换、时间片、共赢、达到利益最大化

多线程
多核 CPU

线程1
    任务1
线程2
    任务2
线程3
    任务3

2.3 多线程技术方案

pthread
- 一套通用的多线程API
- 适用于 Unix/Linux/Windows 等系统
- 跨平台/可移植
- 使用难度大
NSThread
- 使用更加面向对象
- 简单易用，可直接操作线程对象
GCD
- 旨在替代 NSTread 等线程技术
- 充分利用设备的多核
NSOperation
- 基于GCD（底层是GCD）
- 比 GCD 多了一些更简单使用的功能
- 使用更加面向对象

三、线程、线程池、生命周期、安全、通讯、runloop

3.1 线程的生命周期

新建：Start，创建线程，调用start进入就绪状态
就绪：Runnable，CPU调度当前线程，进入运行状态
运行：Running，任务执行完毕，退出线程并销毁，CPU调度当前线程
阻塞：Blocked，调用 sleep方法/等待同步锁/从可调度线程池移出
死亡：Dead，任务执行完成、强制退出
可调度线程池
- 当前线程
- 其他线程
- CPU调度的线程是从线程池中获取
正常流程和堵塞流程
- 正常流程：新建->就绪->运行->死亡
- 堵塞流程：新建->就绪->运行->堵塞->就绪->...->堵塞
  
  image.png

3.2 线程池的原理

参数解释
- corePoolSize：线程池的基本大小（核心线程池大小）
- maxinumPoolSize：线程池的最大大小
- keepAliveTime：线程池中超过corePoolSize数目的空闲线程的最大存活时间
- unit：keepAliveTime参数的时间单位
- workQueue：任务阻塞队列
- threadFactory：新建线程的工厂
- handler：当提交的任务数超过maxnumPoolSize与workQueue之和时，任务会交给RejectedExecutionHandler来处理
【原理】线程池大小小于核心线程池大小
- 创建线程执行任务，流程和线程的生命周期一样
【原理】线程池大小不小于核心线程池大小
- 线程池判断工作队列未满
  将任务push进队列
- 线程池判断工作队列已满
  - 且 maxinumPoolSize>corePoolSize，将创建新的线程来执行任务
  - 交给报策略去处理
    1. Abort策略：默认策略，新任务提交时直接抛出未检查的异常 RejectedExecution，该异常可由调用者捕获
    2. CallerRuns策略：为调节机制，既不抛弃任务也不抛出异常，而是将某些任务会退到调用者。不会在线程池的线程中执行新的任务，而是在调用exector的线程中运行新的任务
    3. Discard策略：新提交的任务被抛弃。
    4. DiscardOldest策略：队列的是“对头”的任务，然后尝试提交新的任务。（不适合工作队列为优先队列场景）

3.3 线程和runloop的关系

runloop与线程的对应关系
- 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？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；
runloop是来管理线程的，当线程的runloop被开启后，线程会在执行完成后进入休眠状态，有了任务就会被唤醒去执行任务。
runloop在第一次或失去时被创建，在线程结束时被销毁。
对于主线程来说，runloop在程序一启动就默认创建好了。
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。

3.4 线程安全和线程通讯

atomic与nonatomic的区别
- 属性定义
  - nonatomic：非原子属性，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，默认值，需要消耗大量的资源。atomic只保证了写安全，但对于可变数组这类容器中的元素的读写安全并不能保证。
- 线程安全解释
  - 保证同一时间只有一个线程能够写入
  - 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
- iOS开发的建议
  - 所有属性都声明为 nonatomic
  - 尽量避免多线程抢夺一块资源
  - 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
互斥锁小结
- 保证锁内的代码，同一时间，只有一条线程能够执行
- 互斥锁的锁定范围，应该尽量小，锁定范围越大，效率越差
- 互斥锁参数
  - 能够加锁的任意 NSObject 对象
  - 注意：锁对象一定要保证所有的线程都能够访问
  - 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

四、iOS中常用多线程技术

4.1 pthread

pthread_create 创建线程

参数：

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 *
线程的属性，nil(空对象 - OC 使用的) / NULL(空地址，C 使用的)
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 *
传递给第三个参数(函数)的参数
- 返回值：C 语言框架中非常常见
  int
  0 创建线程成功！成功只有一种可能
  非 0 创建线程失败的错误码，失败有多种可能！

    // 1: pthread
    pthread_t threadId = NULL;
    //c字符串
    char *cString = "HelloCode";

    int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
    if (result == 0) {
        NSLog(@"成功");
    } else {
        NSLog(@"失败");
    }

    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;
    }

4.2 NSThread

[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadTest) toTarget:self withObject:nil];

/**
 1. 循环的执行速度很快
 2. 栈区／常量区的内存操作也挺快
 3. 堆区的内存操作有点慢
 4. I(Input输入) / O(Output 输出) 操作的速度是最慢的！
 * 会严重的造成界面的卡顿，影响用户体验！
 * 多线程：开启一条线程，将耗时的操作放在新的线程中执行
 */
- (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");
}

4.3 GCD

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self threadTest];
});

4.4 NSOperation

[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
    [self threadTest];
}];

11--多线程01--多线程概念（线程和进程）

一、 线程和进程

1.1 线程的定义

1.2 进程的定义

1.3 iOS开发为什么是单进程的

1.4 线程和队列的关系

1.5 线程和进程的关系和区别

1.6 进程和线程与堆和栈的关系

1.7 补充内存相关知识

二、 多线程

2.1 多线程的意义

2.2 多线程的原理

2.3 多线程技术方案

三、线程、线程池、生命周期、安全、通讯、runloop

3.1 线程的生命周期

3.2 线程池的原理

3.3 线程和runloop的关系

3.4 线程安全和线程通讯

四、iOS中常用多线程技术

4.1 pthread

4.2 NSThread

4.3 GCD

4.4 NSOperation

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