iOS底层系列22 -- 多线程基础概念

进程

• 进程是指在系统中正在运行的一个应用程序；
• 每个进程之间是相互独立的，每个进程均运行在其专用的且受保护的内存空间内；

线程

• 线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都是在线程中执行的；
• 进程要想执行任务，必须的有线程，一个进程进程至少要有一条线程；
• APP应用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；

进程与线程之间的关系

• 进程之间的地址空间是相互独立，不能交叉访问，同一个进程内的线程共享本进程的地址空间；
• 进程之间的资源是相互独立的，同一个进程内的线程共享本进程的资源；
• 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；

线程与RunLoop之间的关系

• RunLoop与线程是一一对应的，其保存在一个全局的字典当中；
• 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，有了任务才会被唤醒去执行任务；
• 对于主线程来说，RunLoop在程序一启动就默认创建好了，在线程结束时被销毁；
• 对于子线程来说，RunLoop不会默认创建， 其在第一次获取时被创建，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

• iOS中的多线程同时执行的本质是： CPU在多个任务之间进行快速的切换，由于CPU调度线程的时间足够快，就造成了多线程的“同时”执行的假象，让我们认为多个线程在同时执行任务，其中切换的时间间隔就是时间片；

多线程的优缺点

优点：

• 能适当提高应用程序的执行效率；
• 能适当提高系统资源的利用率，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；

多线程的生命周期

线程的生命周期通常分为5个部分：创建 -- 就绪 -- 运行 -- 阻塞 -- 死亡；其状态之间的切换如下图所示：

Snip20210319_208.png

• 创建：即实例化线程对象；
• 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，而是进入到就绪状态，需要等待一段时间，经CPU调度后才执行；
• 运行：CPU负责从可调度线程池中调度线程然后执行，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，可以让线程休眠，即sleep，或者使用同步锁，阻塞线程执行，会将线程从可调度线程池中移除，当线程解除sleep时/获取到锁，会重新将线程加入到可调度线程池中。下面关于休眠的时间设置，都是NSThread的；
• 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；

线程池的工作原理

• 其工作原理如下图所示：

Snip20210319_210.png

• 首先线程池有两个重要参数分别为：corePoolSize和maximumPoolSize；
• corePoolSize表示核心线程池能创建核心线程的最大数量；
• maximumPoolSize表示线程池能创建线程的最大数量；核心线程池包含在线程池中。
• 【第一步】：当有任务提交过来，首先判断核心线程池是否已满(corePoolSize)
  • 未满，创建核心线程执行任务；
  • 已满，进入第二步；
• 【第二步】：判断工作队列是否已满
  • 未满，将任务添加到工作队列中；
  • 已满，进入第三步；
• 【第三步】：判断线程池是否已满(maximumPoolSize)
  • 未满：创建非核心线程执行任务；
  • 已满：进入第四步；
• 【第四步】：执行饱和策略，
• 通常有以下四种饱和策略：
  • AbortPolicy(抛出一个异常，默认的)
  • DiscardPolicy(新提交的任务直接被抛弃)
  • DiscardOldestPolicy（丢弃队列里最老的任务，将当前这个任务继续提交给线程池）
  • CallerRunsPolicy（交给线程池调用所在的线程进行处理，即将某些任务回退到调用者)

iOS中多线程的实现方案

• 主要有四种分别为：pthread，NSThread，GCD，NSOperation

Snip20210319_211.png

• 下面通过代码案例分别演示这四种多线程方案的实现：

【pthread】

//线程回调函数
void * pthreadTest(){
    NSLog(@"===>%@", [NSThread currentThread]);
    return NULL;
}

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    pthread_t threadId = NULL;
    //c字符串
    char *cString = "HelloCode";
    //创建一个字线程
    int result = pthread_create(&threadId,NULL,pthreadTest,cString);
    if (result == 0) {
        NSLog(@"pthread 创建成功");
    }else{
        NSLog(@"pthread 创建失败");
    }
}

• 需导入#import

Snip20210319_212.png

【NSThread】

Snip20210319_214.png

【GCD】

Snip20210319_215.png

【NSOperation】

Snip20210319_217.png

线程安全问题

• 在同一时刻有多条子线程共同访问共享资源数据，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，只有一条线程能够访问执行；
• 加了互斥锁的代码，当新线程访问时，如果发现有其他线程正在访问共享资源，新线程就会进入休眠状态；
• 互斥锁的锁定范围，应该尽量小，锁定范围越大，效率越差；
• 能够加锁的任意的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；
• 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

• 相同点：在同一时间，保证了只有一条线程访问共享资源；
• 不同点：
  • 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，反之用互斥锁；