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iOS探索 多线程原理

欢迎阅读iOS探索系列(按序阅读食用效果更加)

写在前面

多线程在iOS中有着举足轻重的地位,不要以为UI仔就不需要了解线程了,不光能在面试中吹嘘两句,使用得当更能保证app的质量

一、进程、线程与队列

1.进程的定义

  • 进程是指在系统中正在运行的一个应用程序,如微信、支付宝app都是一个进程
  • 每个进程之间是独立的,每个进程均运行在齐专用的且受保护的内存

2.线程的定义

  • 线程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
  • 进程想要执行任务,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,这条线程被成为主线程UI线程

3.进程与线程的关系和区别

  • 地址空间:同一进程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。所以设计到频繁的切换时,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,只能用线程而不能用进程
  • 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,但进程不是

可能会觉得这些理论知识很抽象,百度出来一大堆但是都不好理解,看完下面的理解就全明白了

4.进程与线程的关系图

可以把iOS系统想象成商场进程则是商场中的店铺线程是店铺雇佣的员工

  • 进程之间的相互独立
    • 奶茶店看不到果汁店的账目(访问不了别的进程的内存)
    • 果汁店用不了奶茶店的波霸(进程之间的资源是独立的)
  • 进程至少要有一条线程
    • 店铺至少要有一个员工(进程至少有一个线程)
    • 早上开店门的员工(相当于主线程)
  • 进程/线程崩溃的情况
    • 奶茶店倒闭了并不会牵连果汁店倒闭(进程崩溃不会对其他进程产生影响)
    • 奶茶店的收银员不干了会导致奶茶店无法正常运作(线程崩溃导致进程瘫痪)

移动开发不一定是单进程处理的,android就是多进程处理的;而iOS采用沙盒机制,这也是苹果运行能够流畅安全的一个主要原因

5.队列的定义

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

关于队列会在下一篇文章详细介绍

6.队列和线程的关系

两者是没有关系的,可以这么理解:

  • 队列负责调度任务,线程执行任务

  • 在银行(进程)中,有4个工作窗口(线程),而只有一条队伍(队列

  • 窗口(线程)只负责为排队的人办理业务,并不会管队伍(队列)是怎么排的

7.线程和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

8.影响任务执行速度的因素

以下因素都会对任务的执行速度造成影响:

  • cpu的调度
  • 线程的执行速率
  • 队列情况
  • 任务执行的复杂度
  • 任务的优先级

二、多线程

1.多线程原理

  • 同一时间,CPU只能处理一条线程,只有一条线程在工作(执行)
  • 多线程并发(同时)执行,其实就是CPU执行快速地在多条线程之间调度(切换)

2.多线程意义

  • 优点
    • 能适当提高程序的执行效率
    • 能适当提高资源的利用率(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,每一个线程都占512KB,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

2.多线程生命周期

多线程的生命周期是:新建 - 就绪 - 运行 - 阻塞 - 死亡

  • 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,状态可能会在就绪和运行之间来回切换。就绪和运行之间的状态变化由CPU负责,程序员不能干预。
  • 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。sleepForTimeInterval(休眠指定时长),sleepUntilDate(休眠到指定日期),@synchronized(self):(互斥锁)。
  • 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

4.线程池的原理

  • 线程池大小小于核心线程池大小
    • 创建线程执行任务
  • 线程池大小大于等于核心线程池大小
    1. 先判断线程池工作队列是否已满
    2. 若没满就将任务push进队列
    3. 若已满时,且maximumPoolSize>corePoolSize,将创建新的线程来执行任务
    4. 反之则交给饱和策略去处理
参数名 代表意义
corePoolSize 线程池的基本大小(核心线程池大小)
maximumPool 线程池的最大大小
keepAliveTime 线程池中超过corePoolSize树木的空闲线程的最大存活时间
unit keepAliveTime参数的时间单位
workQueue 任务阻塞队列
threadFactory 新建线程的工厂
handler 当提交的任务数超过maxmumPoolSize与workQueue之和时,
任务会交给RejectedExecutionHandler来处理

饱和策略有如下四个:

  • AbortPolicy直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行
  • CallerRunsPolicy将任务回退到调用者
  • DisOldestPolicy丢掉等待最久的任务
  • DisCardPolicy直接丢弃任务

4.多线程实现方案

技术方案 简介 语言 线程生命周期 使用评率
pthread 一套通用的多线程API
适用于Unix/Linux/Windows等系统
跨平台/可移植
使用难度大
C 程序员管理 几乎不用
NSThread 使用更加面向对象
简单易用,可直接操作线程对象
OC 程序员管理 偶尔使用
GCD 旨在替代NSThread等线程技术
充分利用设备的多核
C 自动管理 经常使用
NSOperation 基于GCD(底层是GCD)
比GCD多了一些更简单实用的功能
使用更加面向对象
OC 自动管理 经常使用

5.GCD和NSOperation的区别

  • 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

6.线程间通讯

  • 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

写在后面

本文初步介绍了多线程,下篇文章讲解多线程中的主角——GCD

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