学习重点

进程与线程的定义

多线程及其原理

线程的生命周期

可调度线程池以及饱和策略

自旋锁与互斥锁

1. 进程以及线程的定义

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的且受保护的内存空间内，通过”活动监视器”可以查看Mac系统中开启的进程。

如下图所示：

1.2 线程

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，程序启动默认会开启一条线程，这条线程被称为主线程或UI线程。

1.3 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会死掉。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，而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，而进程不是。
线程没有地址空间，线程包含在进程地址空间中。

2. 多线程

2.1 为何使用多线程

在iOS开发中，我们不可能使用单线程来开发，因为我们在开发过程中，经常需要编写一些耗时操作的代码（例如：网络请求、文件上传下载、蓝牙的操作等），如果仅是单线程开发（仅有主线程），那么必将发生UI上的卡顿，将会极大的影响用户体验，例如在以下界面中编写如下代码：

- (IBAction)networkOperation:(id)sender {
    
    NSLog(@"开始耗时操作");
    
    for (int i = 0; i < 100 * 1000; i++) {
        int a = i * i;
        
        NSString *str = @"----";
        
        NSLog(@"正在进行耗时操作：%@ %d", str, a);
    }
    
    NSLog(@"耗时操作执行完毕");
}

当按钮点击时，将执行其中的耗时操作，你会发现，在控制台打印输出信息的过程中（有将近20秒的时长），你是无法做任何其他操作的（例如：滑动textView文本），因此单线程是无法满足我们的需求的。

2.2 多线程的优缺点

2.2.1 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。

2.2.2 多线程的优点

开启线程需要占用一定的内存（默认情况下，每一个线程都占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。

2.3 多线程的原理

任务的执行依赖于线程，那么多线程则表示多个任务同时执行，而CPU同一时间只能执行一个任务，那么多线程是怎么来的呢？ CPU在执行任务的时候，实际上是多个线程之间快速切换执行，这个时间间隔是很小的，小到我们感觉多个线程是同时执行的。所以单核CPU的多线程就是快速的在多个线程中不断的切换调用，已达到所有线程都在同时进行的效果，但是现在很多设备都是双核，四核或者八核的，相当于多个CPU同时处理，更能加快系统的运行处理速度，这才是真正意义上的多线程。

上述所说的那段很短的时间也称之为时间片（通常在10-100毫秒左右），其概念就是CPU在多个任务之间进行快速的切换，这个时间间隔就是时间片。如果线程数非常多，CPU会在N个线程之间切换，消耗大量的CPU资源，每个线程被调度的次数会降低，线程的执行效率降低。

3. 线程的声明周期、可调度线程池以及饱和策略

3.1 线程的声明周期

线程的生命周期一共分为五个部分分别是：新建，就绪，运行，阻塞以及死亡。由于CPU需要在多条线程中切换，因此线程状态也会在多次运行和阻塞之间切换，如下图所示：

新建状态：被创建，在内存中，但不在可调度线程池中。
就绪状态：调用线程的start方法后，在可调度池中，可以执行任务。
运行状态：在可调度线程池中，正在执行任务。
阻塞状态：被移除可调度线程池，在内存中，不能执行任务。
死亡状态：被释放。

3.2 可调度线程池

线程的运行策略，如下图所示：

首先，先判断线程池中线程的数量是否超过核心线程数（corePoolSize），如果没有超过核心线程数，就创建新的线程去执行任务；
否则，判断任务队列是否已满，如果没有满，就将任务添加到任务队列中；
否则，再判断如果创建一个线程后，线程数是否会超过最大线程数（maximumPoolSize），没有超过最大线程数，就创建一个新的线程来执行任务；
否则，执行饱和策略

3.3 饱和策略

饱和策略共有下面四种，这四种策略均实现了RejectedExecutionHandler接口。

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. 锁

在计算机科学中，锁是一种同步机制，用于在存在多线程的环境中实施对资源的访问限制。你可以理解成它用于排除并发的一种策略！你可以理解为为了防止多线程访问下资源的抢夺，保持线程同步的方式。

使用任何锁都需要消耗系统资源（内存资源和CPU时间），这种资源消耗可以分为两类：

建立锁所需要的资源
当线程被阻塞时所需要的资源

4.1自旋锁

自旋锁是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（被锁住），那么下一个线程会一直等待（不会睡眠），当上一个线程的任务执行完毕，下一个线程会立即执行。

在多CPU的环境中，对持有锁较短的程序来说，使用自旋锁代替一般的互斥锁往往能够提高程序的性能。

优点：自旋锁的优点在于，因为自旋锁不会引起调用栈睡眠，所以不会进行线程调度，CPU时间片轮转等耗时操作，所以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
缺点：自旋锁一直占用CPU，在未获得锁的情况下，一直运行（自旋），所以占用CPU，如果不能在短的时间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低，自旋锁不能实现递归调用。

常用自旋锁：atomic、OSSpinLock、dispatch_semaphore_t。

4.2 互斥锁

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，当上一个线程的任务执行完毕，下一个线程会自动唤醒然后执行任务。

互斥锁保证了锁内的代码，同一时间，只有一条线程能够执行，使用互斥锁时应注意锁定范围应该尽量小，锁定范围越大，其效率越差。

常用互斥锁：pthread_mutex、@ synchronized、NSLock、NSConditionLock、NSCondition、NSRecursiveLock。

4.3 atomic与nonatomic

4.3.1 两者的定义及区别

我们在使用OC开发iOS应用程序时，定义OC类的属性时可以选择atomic或者nonatomic，其中:

atomic: 原子属性，为setter方法加自旋锁（即为单写多读）。
nonatomic: 非原子属性，不为setter方法加锁。

这两种方式的区别如下：

atomic: 线程安全，需要消耗大量的资源。
nontomic: 非线程安全，适合内存小的移动设备。

4.3.2 使用建议

在iOS开发中，我们一般都遵循以下的原则进行程序代码的编写：

如非需抢占资源的属性（如购票，充值等），所有的属性都声明为nonatomic。
尽量避免多线程抢夺同一块资源。
尽量将加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务器端处理，以减小移动客户端的压力。

4.3.3 atomic原理探究

首先我们都知道在属性的setter方法底层，实际上调用了objc_setProperty函数，其代码如下所示：

在这个函数中调用了reallySetProperty函数，其代码如下所示：

在这个函数中，可以发现实际上atomic实际上只是一个标识符，而添加自旋锁的功能实际上是由spinlock_t类型变量slotlock所完成的，其定义如下所示：

spinlock就是系统所提供的一种自旋锁。

iOS 多线程原理（1）