【iOS】多线程 & 锁问题总结

前言

iOS 锁和多线程的总结

1. 你理解的多线程

多线程是同时执行多个线程（子任务）的能力，用于提高程序性能和响应性。它允许在一个程序中并发地处理多个任务。

• 并发：在一个时间段多个线程同时进行，计算机通过切换不同的线程实现多线程任务。

优点

1. 大大提高了程序的运行速度。
2. 使用线程可以把占据时间较长的任务放到后面去处理，从而提升用户的体验。

缺点

1. 如果有大量的线程,会影响性能,因为操作系统需要在它们之间切换。
2. 更多的线程需要更多的内存空间。

2. atomic 和 nonatomic 的区别及其作用

1. atomic原子操作：加锁，保证setter和getter存取方法的线程安全（仅仅对setter和getter方法加锁）。因为线程加锁，别的线程访问当前属性的时候会先执行完属性当前的操作。

• 对同一对象的set和get的操作是顺序执行的。
• 速度不快，因为要保证操作整体完成。
• 线程安全，需要消耗大量系统资源为属性加锁。
• 使用atomic并不能保证绝对的线程安全，因为atomic仅仅是对系统生成的的setter和getter方法加锁， 对于绝对保证线程安全的操作，需要使用更高级的方式处理，NSSpinLock, @syncronized 锁保证线程安全。

2. nanatomic非原子操作，不加锁，线程执行快，但是多个线程访问同一个属性可能产生crash。

• 不是默认的
• 速度更快，如果有两个线程访问同一个属性可能造成crash。
• 非线程安全

3. atomic与nonatom的主要区别就是系统自动生成的getter/setter方法不一样

• atomic系统自动生成的getter/setter方法会进行加锁操作。
• nonatomic系统自动生成的getter/setter方法不会进行加锁操作。

⚠️：atomic修饰的属性,系统生成的 getter/setter 会保证 get、set 操作的完整性，不受其他线程影响。比如，线程 A 的 getter 方法运行到一半，线程 B 调用了 setter：那么线程 A 的 getter 还是能得到一个完好无损的对象。

3. GCD的队列类型 - 三种队列类型

1. The main queue（主线程串行队列）与主线程功能相同，提交到main queue的任务会在主线程中执行。

dispatch_get_main_queue() 来获取

2. Global queue（全局并发队列) 全局并发队列由整个进程共享，有 高 中（默认是中） 低和后台四个优先级别。

dispatch_get_global_queue() 可以设置优先级

3. Custom queue(自定义队列) 可以串行,也可以并发。

dispatch_queue_create()

4. GCD的死锁问题

线程死锁的四个必要条件

• 互斥： 一个资源每次都只能被一个进程占用。
• 占有且等待：一个进程本身占有资源（一种或多种），同时还有资源未得到满足，正在等待其他进程释放该资源。
• 不可抢占：别人已经占有了某项资源，你不能因为自己需要资源而去抢占其他资源。
• 循环等待： 存在一个进程链，使得每个进程都占有下一个进程所需要的至少一种资源。

概念：所谓死锁，通常是两个线程A和B都卡住了，A在等B，B在等A，互相等待到值死锁。

1. .主线程串行队列同步执行任务,在主线程运行时,会产生死锁

NSLog(@"1"); // 任务1
dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
    NSLog(@"2"); // 任务2
});
NSLog(@"3"); // 任务3

分析：

• dispatch_sync表示是一个同步线程；
• dispatch_get_main_queue表示运行在主线程中的主队列；
• 任务2是同步线程的任务。
• 任务3需要等待任务2结束之后再执行.

为什么造成死锁？

1. 首先执行任务1，这是肯定没问题的，只是接下来，程序遇到了同步线程，那么它会进入等待，等待任务2执行完，然后执行任务3。但这是主队列，是一个特殊的串行队列,有任务来，当然会将任务加到队尾，然后遵循FIFO原则执行任务。那么，现在任务2就会被加到最后，任务3排在了任务2前面

任务3要等任务2执行完才能执行，任务2又排在任务3后面，意味着任务2要在任务3执行完才能执行，所以他们进入了互相等待的局面。【既然这样，那干脆就卡在这里吧】这就是死锁。

2. 同步异步互相嵌套

// 同步 + 异步 互相嵌套产生死锁
- (void)sync_async {
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.demo.serialQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    NSLog(@"1"); // 任务1
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"2"); // 任务2
        dispatch_sync(queue, ^{
            NSLog(@"3"); // 任务3
        });
        NSLog(@"4"); // 任务4
    });
    NSLog(@"5"); // 任务5
}

分析：首先通过自定义队列创建了dispatch_queue_create函数创建了一个DISPATCH_QUEUE_SERIAL的串行队列。

1. 执行任务1.
2. 遇到异步线程，将【任务2、同步线程、任务4】加入串行队列中。因为是异步线程，所以在主线程中的任务5不必等待异步线程中的所有任务完成；
3. 因为任务5不必等待，所以2和5的输出顺序不能确定；
4. 任务2执行完以后，遇到同步线程，这时，将任务3加入串行队列；
5. 又因为任务4比任务3早加入串行队列，所以，任务3要等待任务4完成以后，才能执行。但是任务3所在的同步线程会阻塞，所以任务4必须等任务3执行完以后再执行。这就又陷入了无限的等待中，造成死锁。
   
   主线程无限循环

- (void)async_loop {
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        NSLog(@"1"); // 任务1
        dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
            NSLog(@"2"); // 任务2
        });
        NSLog(@"3"); // 任务3
    });
    NSLog(@"4"); // 任务4
    while (1) {
    }
    NSLog(@"5"); // 任务5
    
    // a打印 4 1 / 1 4 顺序不定   
}

打印结果： 4 1 / 1 4 顺序不定

分析：

• 先来看看都有哪些任务加入了Main Queue：【异步线程、任务4、死循环、任务5】。
• 在加入到Global Queue异步线程中的任务有：【任务1、同步线程、任务3】。
• 第一个就是异步线程，任务4不用等待，所以结果任务1和任务4顺序不一定。
• 任务4完成后，程序进入死循环，Main Queue阻塞。但是加入到Global Queue的异步线程不受影响，继续执行任务1后面的同步线程。
• 同步线程中，将任务2加入到了主线程，并且，任务3等待任务2完成以后才能执行。这时的主线程，已经被死循环阻塞了。所以任务2无法执行，当然任务3也无法执行，在死循环后的任务5也不会执行。

最终，只能得到1和4顺序不定的结果。

5. 多线程之间的区别和联系

GCD和NSOperation

• GCD的执行效率更高，执行的是由Block构成的任务，是一个轻量级的数据结构，写起来更加方便
• GCD只支持FIFO队列，NSOperationQueue可以通过设置最大并发数、设置优先级、添加依赖关系来调整执行顺序
• NSOperation可以跨越队列设置依赖关系，GCD仅仅能通过栅栏等方法才能控制执行顺序
• NSOperation更加面向对象，支持KVO，也可以通过继承等关系添加子类。
• 所以如果我们需要考虑异步操作之间的顺序行、依赖关系，比如多线程并发下载等等，就使用NSOperation

GCD 与 NSThread 的区别

• NSThread 通过 @selector 指定要执行的方法，代码分散, 依靠的是NSObject的分类实现的线程之间的通讯，如果要开线程必须创建多个线程对象。经常只用的是[NSTread current] 查看当前的线程。
• NSThread是一个控制线程执行的对象，它不如NSOperation抽象，通过它我们可以方便的得到一个线程，并控制它。但NSThread的线程之间的并发控制，是需要我们自己来控制的，可以通过NSCondition实现。
• GCD 通过 block 指定要执行的代码，代码集中, 所有的代码写在一起的，让代码更加简单，易于阅读和维护,不需要管理线程的创建/销毁/复用的过程！程序员不用关心线程的生命周期

6. 进程和线程？

参考：进程和线程的概念、区别及进程线程间通信
1. 基本概念：

• 进程是对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的基本单位，实现了操作系统的并发。
• 线程是进程的子任务，是CPU调度和分配的基本单位，用于保障程序执行的实时性，实现进程内部的并发。线程是操作系统可以识别的最小执行和调度单位。每个线程都肚子占用一个虚拟处理器等，每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。

2. 区别：

• 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程依赖于进程而存在。
• 进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位
• 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。（资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。）
• 进程间不会相互影响 ；线程：一个线程挂掉将导致整个进程挂掉
• 线程之间的通信更加方便，同一个进程下线程共享全局变量，静态变量等数据。

3. 通信方式：

进程间的通信方式

1. 进程间通信主要包括管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、信号、共享内存等）、以及套接字socket。
2. 信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

线程间的通信方式

1. 临界区：通过多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问；
2. 互斥量Synchronized/Lock：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问
3. 信号量Semphare：为控制具有有限数量的用户资源而设计的，它允许多个线程在同一时刻去访问同一个资源，但一般需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。
4. 事件(信号)，Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作进程间通信的方式：

6. iOS的线程安全手段如何保证

参考：iOS中有哪些技术可以保证线程安全？
问：1块资源可能会被多个线程共享，也就是多个线程可能会访问同一块资源，比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件。当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题。此时，我们需要用线程锁来解决。

线程数据安全的方法：

1. natomic原子操作：使用atomic多线程原子性控制，atomic的原理给setter加上锁，getter不会加锁。
2. 使用GCD实现atomic操作：给某字段的setter方法和getter方法加上同步队列；

- (void)setCount:(NSInteger)newcount
{
    dispatch_sync(_synQueue, ^{
         count = newcount;
    });
}
- (NSInteger)count
{
     __block NSInteger localCount;
     dispatch_sync(_synQueue, ^{
          localCount = count;
     });
     return localCount;
}

• 互斥锁能够有效的防止因多线程抢夺资源造成的数据安全问题，但是需要消耗大量的CPU资源。

3. 互斥锁： 使用互斥锁可以确保同一时间只有一个线程访问共享资源。例如@synchronized创建互斥锁

@synchronized (self) {
    // 访问共享资源的代码
}

5. 自旋锁：自旋锁（Spin Lock）：自旋锁一种忙等待的锁，它会不断地尝试获取锁，直到成功为止。在Objective-C中，可以使用os_unfair_lock来创建自旋锁。
6. 信号量（Semaphore）：信量是一种数器，用于控制同时访问某个资源的线程数量。

dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 访问共享资源的代码
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

8. 串行队列：串行队列（Serial Queue）：使用串行队列可以确保任务按顺序执行，从而避多个线程同时访问共享资源。可以使用GCD(Grand Central Dispatch）来创建串行队列。

dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("com.example.serialQueue DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(serialQueue, ^{
    // 访问共享资源的代码
});