OC底层基础:多线程GCD

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xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc xxx.m

支持ARC、指定运行时系统版本

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-15.0.0 xxx.m

一、iOS中常见的多线程方案

iOS中常见的多线程方案.png

二、容易混淆的术语

有4种术语比较容易混淆:同步、异步、并发、串行

  • 同步和异步主要影响:能不能开启新的线程
    1. 同步:在当前线程中执行任务,不具备开启新线程的能力
    2. 异步:在新的线程中执行任务,具备开启新线程的能力
  • 并发和串行主要影响:任务的执行方式
    1. 并发:多个任务并发(同时)执行
    2. 串行:一个任务执行完毕后,再执行下一个任务


      各种队列的执行效果.png

注:使用sync函数往当前串行队列中添加任务,会卡住当前的串行队列(产生死锁)

三、GCD的常用函数

1. GCD中2个用来执行任务的函数

  • 用同步的方式执行任务
    dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
  • 用异步的方式执行任务
    dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

注:queue:队列,block:队列

2. GCD源码:https://github.com/apple/swift-corelibs-libdispatch

四、线程同步方案

OSSpinLock(iOS10之后废弃)

  • OSSpinLock:“自旋锁”,等待锁的线程会处于忙等(busy-wait)状态,一直占用CPU资源

  • 目前已经不再安全,可能会出现优先级反转问题

    1. 如果等待锁的线程优先级较高,它会一直占用CPU资源,优先级低的线程就无法释放锁
// 初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 尝试加锁(如果需要等待就不加锁,直接返回false;如果不需要等待就加锁,返回true)
bool result = OSSpinLockTry(&lock);
// 加锁
OSSpinLockLock(&lock);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);

os_unfair_lock

  • os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLockiOS10开始支持
  • 从底层调用看,等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态,并非忙等
  • 需要导入#import 头文件
/// 初始化
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
/// 尝试加锁
os_unfair_lock_trylock(&lock);
/// 加锁
os_unfair_lock_lock(&lock);
/// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&lock);

dispatch_semaphore

  • semaphore:”信号量“
  • 信号量的初始值可以用来控制线程并发量访问的最大数量
  • 信号量的初始化为1,代表同时只允许1条线程访问资源,保证线程同步
// 信号量的初始化
int value = 1;
// 初始化信号量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
// 如果信号量的值<=0,当前线程就会进入休眠等待(直到信号量的值>0)
// 如果信号量的值>0,就减1,然后往下执行后面的代码
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
//让信号量的值加1
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

pthread_mutex

  • mutex:”互斥锁“,等待锁的线程会处于休眠状态
  • 需要导入头文件#import
// 初始化锁的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
// pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_ RECURSIVE);(递归锁:允许同一个线程对一把锁进行重复加锁)
// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
// 尝试加锁
pthread_mutex_trylock(&mutex);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 销毁相关资源
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
pthread_mutex_destroy(&mutex);

/*
 * Mutex type attributes
 */
#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL        0
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK    1
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE     2
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT       PTHREAD_MUTEX_NORMAL

NSLock、NSRecursiveLock

  • NSLock是对mutex普通锁的封装
@interface NSLock : NSObject  {
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@end

@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end

// 初始化锁
NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
  • NSRecursiveLock也是对mutex递归锁的封装,APINSLock基本一致

NSCondition

  • NSCondition是对mutex和cont的封装
@interface NSCondition : NSObject  {
- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;
@end

pthread_mutex - 条件(条件锁)

// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
// NULL代表使用默认属性
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 初始化条件
pthread_cond_t condition;
pthread_cond_init(&condition, NULL);
// 等待条件(进入休眠,开放mutex锁;被唤醒后,会再次对mutex加锁)
pthread_cond_wait(&condition, &mutex);
// 激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&condition);
// 激活所有等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast(&condition);
// 销毁相关资源
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&condition);

NSConditionLock

  • NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装,可以设置具体的条件值
@interface NSConditionLock : NSObject  {
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER;
@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;
@end

dispatch_queue

  • 直接使用GCD的串行队列也是可以线程同步的

@synchronized

  • @synchronized是对metex递归锁的封装

性能从高到低排序

  1. os_unfair_lock
  2. OSSpinLock
  3. dispatch_semaphore
  4. pthread_mutex
  5. dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
  6. NSLock
  7. NSCondition
  8. pthread_mutex(recursive)
  9. NSRecursiveLock
  10. NSConditionLock
  11. @synchronized

五、多线程安全隐患的解决方案

  • 解决方案:使用线程同步技术(同步,就是协同步调,按预定的先后次序进行)
  • 常见的线程同步技术是:加锁


    多线程安全隐患的解决方案.png

六、自旋锁、互斥锁比较

  • 什么情况使用自旋锁比较划算

    1. 预计线程等待锁的时间很短
    2. 加锁的代码(临界区)经常被调用,但竞争情况很少发生
    3. CPU资源不紧张
    4. 多核处理器
  • 什么情况使用互斥锁比较划算

    1. 预计线程等待锁的时间较长
    2. 单核处理器
    3. 临界区有IO操作
    4. 临界区代码复杂或者循环量大
    5. 临界区竞争非常激烈

七、iOS中读写安全方案

思考如何实现以下场景

  • 同一时间,只能有1个线程进行写的操作
  • 同一时间,允许有多个线程进行读的操作
  • 同一时间,不允许既有些的操作,又有读的操作

上面的场景是典型的”多读单写“,经常用于文件等数据的读写操作,iOS中实现方案有

  • pthread_rwlock:读写锁
  • dispatch_barrier_async:异步栅栏调用

pthread_rwlock

// 初始化锁
pthread_rwlock_t *lock;
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
// 读-加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读-尝试加锁
pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);
// 写-加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写-尝试加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock); 
// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 销毁
pthread_rwlock_destroy(&lock);

dispatch_barrier_async

  • 这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_create创建的
  • 如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列,那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果
// 初始化队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 读
dispatch_async(queue, ^{
});
// 写
dispatch_barrier_sync(queue, ^{
});

八、其他

atomic

  • atomic用于保证属性settergetter的原子性操作,相当于在gettersetter内部加了线程同步的锁
  • 可以参考源码objc4objc-accessors.mm
  • 它并不能保证使用属性的过程是线程安全的

面试题

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
dispatch_async(queue, ^{
    NSLog(@"1");
    [self performSelector:@selector(test) withObject:nil afterDelay:0];
    NSLog(@"3");
});

- (void)test {
    NSLog(@"2");
}
  • 打印结果是1、3
  • 原因
    1. performSelector: withObject: afterDelay:的本质是往Runloop中添加定时器
    2. 子线程默认没有启动Runloop
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"1");
    }];
    [thread start];
    
    [self performSelector:@selector(test) onThread:thread withObject:nil waitUntilDone:YES];
}

- (void)test {
    NSLog(@"2");
}
  • 打印结果是1、崩溃

如何用GCD实现

  1. 异步并发执行任务1、任务2
  2. 等任务1、任务2执行完毕后,再回到主线程执行任务3
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任务1");
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任务2");
    });
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"任务3");
    });

注:可能涉及的面试题

  • 你理解的多线程
  • iOS的多线程方案有哪几种,你更倾向于哪种
  • 你在项目中用过GCD
  • GCD的队列类型
  • 说一下OperationQueueGCD的区别,以及各自的优势
  • 线程安全的处理手段有哪些
  • OC你了解的锁有哪些?
    追问一:自旋锁和互斥锁对比
    追问二:使用以上锁需要注意哪些
    追问三: 用C/OC/C++,任选其一实现自旋锁或者互斥锁,口述

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