iOS 多线程,自旋锁和互斥锁详解

• iOS 多线程,自旋锁和互斥锁详解
• iOS 多线程之GCD
• iOS 多线程之NSOperation
• iOS 多线程之NSThread

前言

Apple官方文档—多线程

多线程技术在移动端开发的过程中被广泛运用,深入理解器原理并结合业务思考,才能在有限的线程控制API中最大化发挥并发编程的能力,也能轻易的察觉到代码可能存在的安全问题并优雅的解决它.

1. 线程简述

1.1 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且受保护的内存空间内(比如打开Xcode和微信会开启2个进程)

• 进程是分配资源的基本单位

1.2 线程

• 线程(thread): 1个进程要想执行任务,必须得有线程(每1个进程至少要有1条线程),一个进程(程序)的所有任务都在线程中执行.
• 线程的串行: 1个线程中任务的执行是串行的,如果要在1个线程中执行多个任务,那么只能一个一个地按顺序执行这些任务,也就是说,在同一时间内,1个线程只能执行1个任务
• 线程是程序执行流的最小单元,一个线程包括：独有ID,程序计数器 (Program Counter),寄存器集合,堆栈.同一进程可以有多个线程,它们共享进程的全局变量和堆数据.

1.3 多线程

多线程: 1个进程中可以开启多条线程,每条线程可以并行(同时)执行不同的任务,多线程技术可以提高程序的执行效率

• 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本进程的资源如内存、I/O、cpu等,但是进程之间的资源是独立的

• 1:⼀个进程崩溃后,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死掉.所以多进程要⽐多线程健壮.

• 2: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

• 多线程原理:
  (1).同一时间,CPU只能处理1条线程,只有1条线程在工作(执行)
  (2).多线程并发(同时)执行,其实是CPU快速地在多条线程之间调度(切换)
  (3).如果CPU调度线程的时间足够快,就造成了多线程并发执行的假象

• 线程池原理
  (

  线程池原理
  
  )

• 如果线程非常非常多,会发生什么情况？
  (1).CPU会在N多线程之间调度,CPU会累死,消耗大量的CPU资源
  (2).每条线程被调度执行的频次会降低(线程的执行效率降低)

• 多线程的优点
• 能适当提高程序的执行效率
• 能适当提高资源利用率(CPU、内存利用率)

• 多线程的缺点
• 创建线程是有开销的(iOS下主要成本包括：内核数据结构(大约1KB)、栈空间(子线程512KB、主线程1MB,也可以使用setStackSize:设置,但必须是4K的倍数,而且最小是16K),创建线程大约需要90毫秒的创建时间)
• 如果开启大量的线程,会降低程序的性能
• 线程越多,CPU在调度线程上的开销就越大
• 程序设计更加复杂：比如线程之间的通信、多线程的数据共享

1.4 进程和线程的关系

线程和进程

1.5 线程的生命周期

• 新建: 实例化线程对象
• 就绪: 向线程对象发送start消息, 线程对象被加入可调度线程池等待CPU调度
• 运行: CPU负责调度可调度线程池中线程的执行.线程执行完成之前,状态可能在就绪和运行之间来回切换.就绪和运行之间状态由CPU负责,程序员无法干预.
• 阻塞: 当满足某个预定条件时,可以使用休眠或锁,阻塞线程执行.
• 死亡: 正常死亡,线程执行完毕.非正常死亡,当满足某个条件后,在线程内部中止执行/在主线程中止线程对象.

线程生命周期

1.6 线程与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,为什么说是核⼼的呢,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.

2. iOS多线程方案

iOS多线程

3. 自旋锁和互斥锁

3.1 互斥锁

• 定义:当上一个线程的任务没有执行完毕的时候(被锁住),那么下一个线程会进入睡眠状态等待任务执行完毕, 直到上一个执行完成,下一个线程会自动唤醒,然后开始珍惜任务

• 互斥锁原理：线程会从sleep(加锁)-->running(解锁), 过程中有上下文的切换(主动出让时间片, 线程休眠, 等待下一次唤醒).CPU的抢占,信号的发送等开销.

• 互斥锁会休眠: 所谓休眠, 即在访问被锁资源时, 调用者线程会休眠, 此时CPU可以调度其他线程工作.直到被锁资源释放锁.此时会唤醒休眠线程.

互斥锁:@synchronized,NSLock, pthread_mutex, NSConditionLock, NSCondition, NSRecursiveLock

3.2 自旋锁

• 定义:一种用于保护多线程共享资源的锁. 与一般互斥锁(mutex)不同之处在于当自旋锁尝试获取锁时以忙等待(busy waiting)的形式不断地循环检查锁是否可用.当上一个线程的任务没有执行完毕的时候,下一个线程处于一直等待状态,不会休眠,直到上一个执行完毕.
• 自旋锁原理：线程一直是running(加锁——>解锁), 死循环(忙等 do-while)检测锁的标志位,机制不复杂.
• 优点:自旋锁不会引起调用者睡眠,所以不会进行线程调度,CPU时间片轮转等耗时操作.如果能在很短的时间内获得锁,自旋锁的效率远高于互斥锁.适用于持有锁较短的程序.
• 缺点:自旋锁一直占用CPU,在未获得锁的情况下,自旋锁一直运行(忙等状态,询问), 占用着CPU，如果不能在很短的时间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低. 自旋锁不能实现递归调用.

自旋锁:atomic、OSSpinLock、dispatch_semaphore_t

拓展atomic与synchronized

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
nonatomic: 是非原子属性, 没有锁！性能高！

注意:在OC中，如果同时重写了setter & getter方法，系统不再提供_成员变量，需要使用合成指令@synthesize name 取个别名:_name

模拟atomic代码

#pragma mark - 模拟原子属性示例代码
- (NSString *)name {
    return _name;
}
- (void)setName:(NSString *)name {
    /**
     * 增加一把锁，就能够保证一条线程在同一时间写入!
     */
    @synchronized (self) {
        _name = name;
    }
}

setter方法源码:

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        // 如果是atomic, 则加锁
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }

    objc_release(oldValue);
}

getter方法源码

id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {
    if (offset == 0) {
        return object_getClass(self);
    }

    // Retain release world
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
    if (!atomic) return *slot;
        
    // Atomic retain release world
    spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
    slotlock.lock();
    id value = objc_retain(*slot);
    slotlock.unlock();
    
    // for performance, we (safely) issue the autorelease OUTSIDE of the spinlock.
    return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}

完整代码见GitHub->多线程

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