iOS-底层原理 25：多线程原理

iOS 底层原理 文章汇总

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

多线程声明周期

• 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

服务质量枚举

线程池原理

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

多线程实现方案

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

线程间通讯-官方文档说明

• 直接消息传递: 通过performSelector的一系列方法，可以实现由某一线程指定在另外的线程上执行任务。因为任务的执行上下文是目标线程，这种方式发送的消息将会自动的被序列化

• 全局变量、共享内存块和对象: 在两个线程之间传递信息的另一种简单方法是使用全局变量，共享对象或共享内存块。尽管共享变量既快速又简单，但是它们比直接消息传递更脆弱。必须使用锁或其他同步机制仔细保护共享变量，以确保代码的正确性。 否则可能会导致竞争状况，数据损坏或崩溃。

• 条件执行: 条件是一种同步工具，可用于控制线程何时执行代码的特定部分。您可以将条件视为关守，让线程仅在满足指定条件时运行。

• Runloop sources: 一个自定义的 Runloop source 配置可以让一个线程上收到特定的应用程序消息。由于 Runloop source 是事件驱动的，因此在无事可做时，线程会自动进入睡眠状态，从而提高了线程的效率

• Ports and sockets:基于端口的通信是在两个线程之间进行通信的一种更为复杂的方法，但它也是一种非常可靠的技术。更重要的是，端口和套接字可用于与外部实体（例如其他进程和服务）进行通信。为了提高效率，使用 Runloop source 来实现端口，因此当端口上没有数据等待时，线程将进入睡眠状态。需要注意的是，端口通讯需要将端口加入到主线程的Runloop中，否则不会走到端口回调方法

• 消息队列: 传统的多处理服务定义了先进先出（FIFO）队列抽象，用于管理传入和传出数据。尽管消息队列既简单又方便，但是它们不如其他一些通信技术高效

• Cocoa 分布式对象: 分布式对象是一种 Cocoa 技术，可提供基于端口的通信的高级实现。尽管可以将这种技术用于线程间通信，但是强烈建议不要这样做，因为它会产生大量开销。分布式对象更适合与其他进程进行通信，尽管在这些进程之间进行事务的开销也很高