iOS多线程

iOS中常见的多线程方案

• pthread
• NSThread
• GCD
• NSOperation

GCD

GCD执行任务的方式

• 用同步的方式执行任务

 dispatch_sync(dispathc_queue_t queue， dispatch_block_t block);

• 用异步的方式执行任务

 dispatch_async(dispathc_queue_t queue， dispatch_block_t block);

GCD队列

• 并发队列
  • 可以让多个任务并发执行（自动开启多个线程同时执行任务）
  • 并发功能只有再异步（dispatch_async）函数下才有效
• 串行队列
  • 让任务一个接着一个执行，一个任务执行完毕后，再执行下一个任务

各队列的执行效果

• 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）,一定要明白当前队列是哪一个队列

void test() {
 // 问题：以下代码是在主线程执行的，会不会产生死锁？会！
    NSLog(@"执行任务1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    dispatch_sync(queue, ^{
        NSLog(@"执行任务2");
    });
    
    NSLog(@"执行任务3");
    // dispatch_sync立马在当前线程同步执行任务，当前队列是在主队列列sync执行任务的队列里面，再添一个任务，添加的任务排在当前队列任务之后（FIFO原则），但是sync又规定任务必须立马执行，这样任务2在任务3结束才执行，但是任务3又要等任务2结束才执行，你等我，我等你，就造成了线程阻塞

 // 问题：以下代码是在主线程执行的，会不会产生死锁？不会！
    NSLog(@"执行任务1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_main_queue();
    dispatch_async(queue, ^{
        NSLog(@"执行任务2");
    });
    NSLog(@"执行任务3");
    // dispatch_async不要求立马在当前线程同步执行任务

 // 问题：以下代码是在主线程执行的，会不会产生死锁？会！
    NSLog(@"执行任务1"); // 主队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myqueu", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_async(queue, ^{ // 0// 在myqueu队列中
        NSLog(@"执行任务2");
        dispatch_sync(queue, ^{ // 1 // 处于myqueu队列中，又添加了新任务
            NSLog(@"执行任务3");
        });
        NSLog(@"执行任务4");
    });
    NSLog(@"执行任务5");

 // 问题：以下代码是在主线程执行的，会不会产生死锁？不会！
    NSLog(@"执行任务1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myqueu", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
//    dispatch_queue_t queue2 = dispatch_queue_create("myqueu2", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_queue_t queue2 = dispatch_queue_create("myqueu2", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_async(queue, ^{ // 0
        NSLog(@"执行任务2");
        dispatch_sync(queue2, ^{ // 1
            NSLog(@"执行任务3");
        });
        NSLog(@"执行任务4");
    });
    NSLog(@"执行任务5");

 // 问题：以下代码是在主线程执行的，会不会产生死锁？不会！
    NSLog(@"执行任务1");
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myqueu", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_async(queue, ^{ // 0
        NSLog(@"执行任务2");
        dispatch_sync(queue, ^{ // 1
            NSLog(@"执行任务3");
        });

        NSLog(@"执行任务4");
    });
    NSLog(@"执行任务5");
}

线程组

• 解决的是多任务执行完毕后，再执行其他任务

  // 创建队列组
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    // 创建并发队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("my_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    // 添加异步任务
    dispatch_group_enter(group);
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务1-%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务2-%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    dispatch_group_leave(group);
    // 等前面的任务执行完毕后，会自动执行这个任务
    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务3-%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
}
  

多线程的安全隐患

• 存在资源共享，数据竞争问题：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
• 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，比如存钱取钱问题，买票卖票问题
• 采用线程同步技术(加锁)，解决多线程安全隐患问题

iOS中的线程同步方案

• OSSpinLock
• os_unfair_lock
• pthread_mutex
• dispatch_semaphore
• dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
• NSLock
• NSRecursiveLock
• NSCondition
• NSConditionLock
• @synchronized

OSSpinLock

• OSSpinLock叫做”自旋锁”，等待锁的线程会处于忙等（busy-wait）状态，一直占用着CPU资源
• 目前已经不再安全，可能会出现优先级反转问题
• 如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用着CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        self.ticketLock = OS_SPINLOCK_INIT;
    }
    return self;
}
- (void)__saleTicket {
    OSSpinLockLock(&_ticketLock);
    [super __saleTicket];
    OSSpinLockUnlock(&_ticketLock);
}

os_unfair_lock

• os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ，从iOS10开始才支持
• 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

- (void)__saleTicket {
    os_unfair_lock_lock(&_ticketLock);
    [super __saleTicket];
    os_unfair_lock_unlock(&_ticketLock);
}

pthread_mutex – 递归锁

 // 初始化属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_t mutex
    pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

pthread_mutex – 条件

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        // 初始化属性
        pthread_mutexattr_t attr;
        pthread_mutexattr_init(&attr);
        pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
        // 初始化锁
        pthread_mutex_init(&_mutex, &attr);
        // 销毁属性
        pthread_mutexattr_destroy(&attr);
        
        // 初始化条件
        pthread_cond_init(&_cond, NULL);
        
        self.data = [NSMutableArray array];
    }
    return self;
}

- (void)otherTest
{
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__remove) object:nil] start];
    
    [[[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(__add) object:nil] start];
}

// 生产者-消费者模式

// 线程1
// 删除数组中的元素
- (void)__remove
{
    pthread_mutex_lock(&_mutex);
    NSLog(@"__remove - begin");
    
    if (self.data.count == 0) {
        // 等待条件_cond，这时会被解锁，线程休眠，当条件被唤起时，被加锁，执行下面的代码，然后解锁
        pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
    }
    
    [self.data removeLastObject];
    NSLog(@"删除了元素");
    
    pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

// 线程2
// 往数组中添加元素
- (void)__add
{
    pthread_mutex_lock(&_mutex);
    
    sleep(1);
    
    [self.data addObject:@"Test"];
    NSLog(@"添加了元素");
    
    // 信号
    pthread_cond_signal(&_cond);
    // 广播
//    pthread_cond_broadcast(&_cond);
    
    pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

- (void)dealloc
{
    pthread_mutex_destroy(&_mutex);
    pthread_cond_destroy(&_cond);
}

NSLock、NSRecursiveLock

• NSLock是对mutex普通锁的封装
• NSRecursiveLock也是对mutex递归锁的封装，API跟NSLock基本一致

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

@interface NSLock : NSObject 
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@end

NSCondition

• NSCondition是对mutex和cond的封装

@interface NSCondition : NSObject  
- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;
@end

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 
@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_semaphore 信号量

• 信号量的初始值，可以用来控制线程并发访问的最大数量
• 信号量的初始值为1，代表同时只允许1条线程访问资源，保证线程同步

- (void)test
{
    // 如果信号量的值 > 0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
    // 如果信号量的值 <= 0，就会休眠等待，直到信号量的值变成>0，就让信号量的值减1，然后继续往下执行代码
    dispatch_semaphore_wait(self.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    sleep(2);
    NSLog(@"test - %@", [NSThread currentThread]);
    // 让信号量的值+1
    dispatch_semaphore_signal(self.semaphore);
}

dispatch_queue 串行队列

• 直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步的，要注意线程死锁问题

 self.moneyQueue = dispatch_queue_create("moneyQueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
- (void)__drawMoney {
    dispatch_sync(self.moneyQueue, ^{
        [super __drawMoney];
    });
}

- (void)__saveMoney {
    dispatch_sync(self.moneyQueue, ^{
        [super __saveMoney];
    });
}

@synchronized

• @synchronized是对mutex递归锁的封装
• @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作

- (void)__saveMoney
{
    @synchronized([self class]) { // objc_sync_enter
        [super __saveMoney];
    } // objc_sync_exit
}

- (void)__saleTicket
{
    static NSObject *lock;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        lock = [[NSObject alloc] init];
    });
    
    @synchronized(lock) {
        [super __saleTicket];
    }
}

• 性能从高到低排序
  • os_unfair_lock
  • OSSpinLock
  • dispatch_semaphore
  • pthread_mutex
  • dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
  • NSLock
  • NSCondition
  • pthread_mutex(recursive)
  • NSRecursiveLock
  • NSConditionLock
  • @synchronized

自旋锁、互斥锁比较

• 什么情况使用自旋锁比较划算？

  • 预计线程等待锁的时间很短
  • 加锁的代码（临界区）经常被调用，但竞争情况很少发生
  • CPU资源不紧张
  • 多核处理器

• 什么情况使用互斥锁比较划算？

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

atomic

• atomic用于保证属性setter、getter的原子性操作，相当于在getter和setter内部加了线程同步的锁
• 可以参考源码objc4的objc-accessors.mm
• 它并不能保证使用属性的过程是线程安全的

iOS中的读写安全方案

• 多读单写的特点
  • 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，不允许既有写的操作，又有读的操作
• "多读单写”，经常用于文件等数据的读写操作, iOS中的实现方案有
• pthread_rwlock：读写锁
• dispatch_barrier_async：异步栅栏调用

pthread_rwlock_t

@interface ViewController ()
@property (assign, nonatomic) pthread_rwlock_t lock;
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // 初始化锁
    pthread_rwlock_init(&_lock, NULL);
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            [self read];
        });
        dispatch_async(queue, ^{
            [self write];
        });
    }
}

- (void)read {
    pthread_rwlock_rdlock(&_lock);
    sleep(1);
    NSLog(@"%s", __func__);
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}

- (void)write {
    pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
    sleep(1);
    NSLog(@"%s", __func__);
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}

- (void)dealloc {
    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_cretate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
• 其本质是思想是把读和写的操作用栅栏隔开，写操作单独在一个线程里面做操作

- (void)read {
    dispatch_async(self.queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"read");
    });
}

- (void)write {
    dispatch_barrier_async(self.queue, ^{
        sleep(1);
        NSLog(@"write");
    });
}