多线程是iOS开发中的一个重要的环节，不管是在日常的开发，还是面试中，都有着举足轻重的地位，所以打算开辟一个小专题，研究多线程相关的底层原理。这一篇章是第一篇，介绍一些基础的概念性的多线程。

进程

定义

当一个程序进入内存运行时，即变成一个进程。进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定的独立功能，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用的且受保护的内存。

在iOS开发中，一个App在内存中就是一个进程，且相互独立，只能访问自己的沙盒控件，这也是苹果运行能够流畅安全的一个主要原因。

特点

独立性：是系统独立存在的实体，拥有自己独立的资源，有自己私有的地址空间。在没有经过进程本身允许的情况下，一个用户的进程不可以直接访问其他进程的地址空间。
动态性：进程与程序的区别在于：程序只是一个静态的指令集合，而进程是一个正在系统中活动的指令集和，进程中加入了时间的概念。进程具有自己的生命周期和不同的状态，这些都是程序不具备的。
并发性：多个进程可以在单个处理器上并发执行，多个进程之间不会相互影响。

线程

定义

线程的定义，主要可以归结为以下3点：

线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行
进程要想执行任务，必须得有线程，进程至少要有一条线程
程序启动会默认开启一条线程，这条线程被称为主线程或 UI 线程

进程与线程的关系

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。
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。
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
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。
线程是处理器调度的基本单位，但是进程不是。

线程与Runloop的关系

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，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。
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。
runloop在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁。
对于主线程来说，runloop在程序一启动就默认创建好了。
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

队列

定义

队列，又称为伫列（queue），是先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的线性表，在具体应用中通常用链表或者数组来实现。装载线程任务的队形结构。队列只允许在后端（称为rear）进行插入操作，在前端（称为front）进行删除操作。队列的操作方式和堆栈类似，唯一的区别在于队列只允许新数据在后端进行添加。

类型

队列的类型决定了任务的执行方式（并发、串行），队列包括以下几种：

并发队列(Concurrent Dispatch Queue)：线程执行可以同时一起进行执行,不需要上一个执行完，就能执行下一个的。
串行队列(Serial Dispatch Queue)：线程执行只能依次逐一先后有序的执行,等待上一个执行完，再执行下一个。
主队列：绑定主线程，所有任务都在主线程中执行，有经过特殊处理的串行队列。
全局队列：系统提供的并发队列。

同步、异步

同步 sync：只能在当前线程按先后顺序依次执行任务，不具备开启新线程的能力。

异步 async：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力。

多线程

概念和原理

一个进程中可以并发多个线程同时执行各自的任务，叫做多线程。

分时操作系统会把CPU的时间划分为长短基本相同的时间区间，叫时间片，在一个时间片内，CPU只能处理一个线程中的一个任务，对于一个单核CPU来说，在不同的时间片来执行不同线程中的任务，就形成了多个任务在同时执行的“假象”。

多线程即为单位时间片里快速在各个线程之间切换

生命周期

新建(New): 新建线程
就绪(Runnable) : start之后就会runnable,然后等待cpu分配资源,进行调用
运行(Running) : 当获得cpu调度之后就会到running状态
阻塞(Block) : 当线程中任务异常是,比如sleep,或者死锁等操作之后就会造成线程阻塞.当阻塞解除之后不会直接到running状态而是又到就绪状态
死亡(Dead) : 任务执行完成或者强制退出

优缺点

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)
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,每个线程都占512KB)
如果开启大量的线程,会占用大量的内存空间,降低程序性能
线程越多,CPU在调用线程上的开销越大
程序设计更加复杂,比如线程间的通讯,多线程的数据共享

iOS中的多线程方案

pthread：即POSIX Thread，缩写称为pthread，是线程的POSIX标准，是一套通用的多线程API，可以在Unix/Linux/Windows等平台跨平台使用。iOS中基本不使用。
NSThread：苹果封装的面向对象的线程类，可以直接操作线程，比起GCD，NSThread效率更高，由程序员自行创建，当线程中的任务执行完毕后，线程会自动退出，程序员也可手动管理线程的生命周期。使用频率较低。
GCD：全称Grand Central Dispatch，由C语言实现，是苹果为多核的并行运算提出的解决方案，CGD会自动利用更多的CPU内核，自动管理线程的生命周期，程序员只需要告诉GCD需要执行的任务，无需编写任何管理线程的代码。GCD也是iOS使用频率最高的多线程技术。
NSOperation：基于GCD封装的面向对象的多线程技术，常配合NSOperationQueue使用，使用频率较高。

GCD和NSOperation区别

GCD仅仅支持FIFO队列，不支持异步操作之间的依赖关系设置。而NSOperation中的队列可以被重新设置优先级，从而实现不同操作的执行顺序调整。
NSOperation支持KVO，可以观察任务的执行状态。
GCD更接近底层，GCD在追求性能的底层操作来说，是速度最快的。
从异步操作之间的事务性，顺序行，依赖关系。GCD需要自己写更多的代码来实现，而NSOperation已经内建了这些支持
如果异步操作的过程需要更多的被交互和UI呈现出来，NSOperation更好。底层代码中，任务之间不太互相依赖，而需要更高的并发能力，GCD则更有优势

小结图表

线程池

定义

线程池是多线程处理的一种形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。线程池中的线程都是后台线程。每个线程都有默认的堆栈大小，以默认的优先级运行，并处在多线程单元中。

执行流程

判断线程池大小是否小核心线程池大小
如果小于.创建线程执行任务
如果不小于判断工作队列是否已满,不满,将任务提交到工作队列,创建线程执行任务,如果已满,判断线程是否都在工作,如果都在工作交给饱和策略,如果没满创建线程执行任务

饱和策略

AbortPolicy：默认策略。直接抛出RejectedExecutionExeception异常阻止系统正常运行,该异常由调用者捕获
CallerRunsPolicy：调节机制。既不抛弃也不报异常。将任务回退给调用者
DisOldestPolicy：丢掉等待最久的任务
DisCardPolicy：直接丢弃任务

线程间通讯

苹果的官方文档中，给出了几种线程间通信的方式：

直接消息传递: 通过 performSelector 的一系列方法，可以实现由某一线程指定在另外的线程上执行任务。因为任务的执行上下文是目标线程，这种方式发送的消息将会自动的被序列化。
全局变量、共享内存块和对象: 在两个线程之间传递信息的另一种简单方法是使用全局变量，共享对象或共享内存块。尽管共享变量既快速又简单，但是它们比直接消息传递更脆弱。必须使用锁或其他同步机制仔细保护共享变量，以确保代码的正确性。否则可能会导致竞争状况，数据损坏或崩溃。
条件执行: 条件是一种同步工具，可用于控制线程何时执行代码的特定部分。您可以将条件视为关守，让线程仅在满足指定条件时运行。
Runloop sources: 一个自定义的 Runloop source 配置可以让一个线程上收到特定的应用程序消息。由于 Runloop source 是事件驱动的，因此在无事可做时，线程会自动进入睡眠状态，从而提高了线程的效率。
Ports and sockets: 基于端口的通信是在两个线程之间进行通信的一种更为复杂的方法，但它也是一种非常可靠的技术。更重要的是，端口和套接字可用于与外部实体（例如其他进程和服务）进行通信。为了提高效率，使用 Runloop source 来实现端口，因此当端口上没有数据等待时，线程将进入睡眠状态。
消息队列: 传统的多处理服务定义了先进先出（FIFO）队列抽象，用于管理传入和传出数据。尽管消息队列既简单又方便，但是它们不如其他一些通信技术高效。
Cocoa 分布式对象: 分布式对象是一种 Cocoa 技术，可提供基于端口的通信的高级实现。尽管可以将这种技术用于线程间通信，但是强烈建议不要这样做，因为它会产生大量开销。分布式对象更适合与其他进程进行通信，尽管在这些进程之间进行事务的开销也很高

端口通信例子

对于performSelector的通信，平时在开发中运用的比较多，就不详细讲述了，我们讲一个线程之前，运用端口来传递消息的例子来加深印象。

首先我们创建一个类来发送消息：

@interface WYPerson : NSObject
- (void)personLaunchThreadWithPort:(NSPort *)port;
@end

#import "WYPerson.h"

@interface WYPerson()<NSMachPortDelegate>
@property (nonatomic, strong) NSPort *vcPort;
@property (nonatomic, strong) NSPort *myPort;
@end

@implementation WYPerson


- (void)personLaunchThreadWithPort:(NSPort *)port{
    
    NSLog(@"VC 响应了Person里面");
    @autoreleasepool {
        ✅//1. 保存主线程传入的port
        self.vcPort = port;
        ✅//2. 设置子线程名字
        [[NSThread currentThread] setName:@"WYPersonThread"];
        ❗️//3. 开启runloop（重点在这）
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
        ✅//4. 创建自己port
        self.myPort = [NSMachPort port];
        ✅//5. 设置port的代理回调对象（NSMachPortDelegate）
        self.myPort.delegate = self;
        ✅//6. 完成向主线程port发送消息
        [self sendPortMessage];
    }
}


/**
 *   完成向主线程发送port消息
 */

- (void)sendPortMessage {
 
    NSData *data1 = [@"WY" dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];

    NSMutableArray *array  =[[NSMutableArray alloc]initWithArray:@[data1,self.myPort]];
    ✅// 发送消息到VC的主线程
    ✅// 第一个参数：发送时间。
    ✅// msgid 消息标识。
    ✅// components，发送消息附带参数。
    ✅// reserved：为头部预留的字节数
    [self.vcPort sendBeforeDate:[NSDate date]
                          msgid:10086
                     components:array
                           from:self.myPort
                       reserved:0];
    
}

#pragma mark - NSMachPortDelegate 处理端口传递信息

- (void)handlePortMessage:(NSPortMessage *)message{
    NSLog(@"person:handlePortMessage  == %@",[NSThread currentThread]);
    NSLog(@"从VC 传过来一些信息:");
    NSLog(@"components == %@",[message valueForKey:@"components"]);
    NSLog(@"receivePort == %@",[message valueForKey:@"receivePort"]);
    NSLog(@"sendPort == %@",[message valueForKey:@"sendPort"]);
    NSLog(@"msgid == %@",[message valueForKey:@"msgid"]);
}

接着我们创建PortViewController用来接收消息和回调消息给发送者

#import "PortViewController.h"
#import <objc/runtime.h>
#import "WYPerson.h"

@interface PortViewController ()<NSMachPortDelegate>
@property (nonatomic, strong) NSPort *myPort;
@property (nonatomic, strong) WYPerson *person;

@end

@implementation PortViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    self.title = @"Port线程通讯";
    self.view.backgroundColor = [UIColor whiteColor];

    ✅//1. 创建主线程的port
    ✅// 子线程通过此端口发送消息给主线程
    self.myPort = [NSMachPort port];
    ✅//2. 设置port的代理回调对象
    self.myPort.delegate = self;
    ❗️//3. 把port加入runloop，接收port消息（此时主线程已经再跑，不需要run）
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:self.myPort forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    
    self.person = [[WYPerson alloc] init];
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(personLaunchThreadWithPort:)
                             toTarget:self.person
                           withObject:self.myPort];
    
}

#pragma mark - NSMachPortDelegate

- (void)handlePortMessage:(NSPortMessage *)message{
    
    NSLog(@"VC == %@",[NSThread currentThread]);
    
    NSLog(@"从person 传过来一些信息:");
    //会报错,没有这个隐藏属性
    //NSLog(@"from == %@",[message valueForKey:@"from"]);
    
    NSArray *messageArr = [message valueForKey:@"components"];
    NSString *dataStr   = [[NSString alloc] initWithData:messageArr.firstObject  encoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"传过来一些信息 :%@",dataStr);
    NSPort  *destinPort = [message valueForKey:@"remotePort"];
    
    if(!destinPort || ![destinPort isKindOfClass:[NSPort class]]){
        NSLog(@"传过来的数据有误");
        return;
    }
    
    NSData *data = [@"VC收到!!!" dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    
    NSMutableArray *array  =[[NSMutableArray alloc]initWithArray:@[data,self.myPort]];
    
    ❗️❗️❗️// 非常重要,如果你想在Person的port接受信息,必须加入到当前主线程的runloop
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:destinPort forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    
    NSLog(@"VC == %@",[NSThread currentThread]);
    
    BOOL success = [destinPort sendBeforeDate:[NSDate date]
                                        msgid:10010
                                   components:array
                                         from:self.myPort
                                     reserved:0];
    NSLog(@"%d",success);

}


- (void)getAllProperties:(id)somebody{
    
    u_int count = 0;
    objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([somebody class], &count);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        const char *propertyName = property_getName(properties[i]);
         NSLog(@"%@",[NSString stringWithUTF8String:propertyName]);
    }
}

打印结果如下：

通过上面的例子，我们已经实现了线程之间的通信

稍微总结一下NSPort的使用要点：

NSPort对象必须添加到要接收消息的线程的Runloop中，必须由Runloop来进行管理
接收消息的对象实现NSPortDelegate协议的-handlePortMessage:方法来获取消息内容

参考资料

iOS底层原理探索—多线程的本质

iOS 查漏补缺 - 线程