iOS-25.多线程原理

pjx_wang
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ios底层文章汇总

线程和进程

线程

  • 线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任都在线程中执行
  • 进程要想执行任务，必须的有线程，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 或者 UI线程

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系统中所开启的线程

进程是线程的容器，而线程用来执行任务。在iOS中是单进程开发，一个进程就是一个app，进程之间是相互独立的，如支付宝、微信、qq等，这些都是属于不同的进程

进程与线程的关系

  • 线程是依附于进程的，不能独立存在，它包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。进程一旦结束，所有线程都结束。
  • 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。

进程与线程之间的关系主要涉及两个方面

线程是进程中的一个执行单元，由CPU独立调度执行，负责当前进程中任务的执行。一个进程可以有一个或多个线程，同一进程中的多个线程将共享程序的内存空间，也就是该进程中的代码段(代码和常量)，数据段(全局变量和静态变量)，扩展段(堆存储)等系统资源。

 进程和线程的区别

  • 根本区别

    进程是操作系统分配资源的最小单位，线程是程序执行的最小单位

  • 地址空间

    • 同一个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

    • 同一个进程内线程共享本进程的资源，如内存、I/O、cpu等
    • 但是进程之间资源是独立的

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

  • 多进程要比多线程健壮

    • 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响
    • 而一个线程崩溃整个进程都死掉

  • 调度和切换

    • 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。

多进程 vs 多线程

多任务既可以由多进程实现，也可以由单进程内的多线程实现，还可以混合多进程＋多线程。混合多进程和多线程的程序涉及到同步、数据共享的问题，这种模型更复杂，实际很少采用。

和多进程相比，多线程的优势在于：

  • 线程的调度与切换比进程快很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多；
  • 线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，线程间通信就是读写同一个变量，速度很快。而进程之间的通信需要以通信的方式（Inter Process Communication，IPC)进行。

而多进程的优点在于：

  • 多进程程序更健壮，在多进程的情况下，一个进程崩溃不会影响其他进程，而在多线程的情况下，任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

多线程

单核CPU是怎么执行多任务的呢？

时间片轮转调度：简单地说就是把一个处理器划分为若干个短的时间片，每个进程会被操作系统分配一个时间片（即每次被 CPU 选中来执行当前进程所用的时间），每个时间片依次轮流地执行处理各个应用程序，时间一到，无论进程是否运行结束，操作系统都会强制将 CPU 这个资源转到另一个进程去执行，由于一个时间片很短，从而达到多个应用程序在同时进行的效果。

多线程原理

  • 对于单核CPU，同一时间，CPU只能处理一条线程，即只有一条线程在工作，
  • 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”执行的效果。其中切换的时间间隔就是时间片

多线程意义

  • 能适当提高程序的执行效率

  • 能适当提高资源的利用率，如CPU、内存

  • 线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁

  • 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

多线程生命周期

多线程的生命周期主要分为5部分：新建 - 就绪 - 运行 - 阻塞 - 死亡，如下图所示

image.png

多线程声明周期

  • 新建(new) 主要是实例化线程Thread对象,创建完成后就需要为线程分配内存。当线程处于"新线程"状态时，仅仅是一个空线程对象，它还没有分配到系统资源。因此只能启动start()或终止stop()它。任何其他操作都会引发异常。

  • 就绪(Runnable) 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，进入就绪状态，需要等待一段时间，经CPU调度后才执行run()，也就是从就绪状态进入运行状态

  • 运行(Running) 就绪状态的线程并不一定立即运行run()方法，线程还必须同其他线程竞争CPU时间，只有获得CPU时间才可以运行线程

  • 阻塞(Blocked)

    当满足某个预定条件时，可以使用休眠，即sleep，suspend(),IO阻塞，wait()等待通知,等待同步锁，阻塞线程执行。

    下面关于休眠的时间设置，都是NSThread的

    • sleepUntilDate: 阻塞当前线程，直到指定的时间为止，即休眠到指定时间
    • sleepForTimeInterval: 在给定的时间间隔内休眠线程，即指定休眠时长
    • 同步锁：@synchronized(self)：

当stop()时间到，resume(),IO阻塞返回，收到通知，获得同步锁等，线程从阻塞状态进入就绪状态，等待CPU调度。

  • 死亡(Dead)

    • 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,stop方法等退出）,或者发生了错误Error或异常Exception

总结

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

线程的优先级越高，是不是任务的执行越快？

并不是，线程执行的快慢，除了要看优先级，还需要查看资源的大小（即任务的复杂度）、以及 CPU 调度情况。在NSThread中，线程优先级threadPriority已经被服务质量qualityOfService取代，以下服务质量枚举

image.png

线程池原理

image.png 线程池原理

  • 【第一步】判断核心线程池是否都正在执行任务

    • 返回NO，创建新的工作线程去执行
    • 返回YES，进入【第二步】

  • 【第二步】判断线程池工作队列是否已经饱满

    • 返回NO，将任务存储到工作队列，等待CPU调度
    • 返回YES，进入【第三步】

  • 【第三步】判断线程池中的线程是否都处于执行状态

    • 返回NO，安排可调度线程池中空闲的线程去执行任务
    • 返回YES，进入【第四步】

  • 【第四步】交给饱和策略去执行，主要有以下四种（在iOS中并没有找到以下4种策略）

    • 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

image.png 1.如果当前运行的线程少于corePoolSize，则创建新线程来执行任务

2.如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。 线程池会让corePoolSize里执行完任务的线程，反复的获取BlockingQueue的任务执行。

3.如果无法将任务加入BlockingQueue（队列已满），则创建新的线程来处理任务

4.如果创建新线程将使当前运行的线程超出maximumPoolSize，就启用饱和策略。

iOS中多线程的实现方案

iOS中的多线程实现方式，主要有四种：pthread、NSThread、GCD、NSOperation，汇总如图所示

image.png

//pthread
pthread_t threadId = NULL;
//c字符串
char *cString = "HelloCode";
/**
 pthread_create 创建线程
 参数：
 1. pthread_t：要创建线程的结构体指针，通常开发的时候，如果遇到 C 语言的结构体，类型后缀 `_t / Ref` 结尾
 同时不需要 `*`
 2. 线程的属性，nil(空对象 - OC 使用的) / NULL(空地址，0 C 使用的)
 3. 线程要执行的`函数地址`
 void *: 返回类型，表示指向任意对象的指针，和 OC 中的 id 类似
 (*): 函数名
 (void *): 参数类型，void *
 4. 传递给第三个参数(函数)的`参数`
 */
int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
if (result == 0) {
    NSLog(@"成功");
} else {
    NSLog(@"失败");
}
    
//NSThread
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadTest) toTarget:self withObject:nil];
    
//GCD
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self threadTest];
});
    
//NSOperation
[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
    [self threadTest];
}];

- (void)threadTest{
    NSLog(@"begin");
    NSInteger count = 1000 * 100;
    for (NSInteger i = 0; i < count; i++) {
        // 栈区
        NSInteger num = i;
        // 常量区
        NSString *name = @"zhang";
        // 堆区
        NSString *myName = [NSString stringWithFormat:@"%@ - %zd", name, num];
        NSLog(@"%@", myName);
    }
    NSLog(@"over");
}

void *pthreadTest(void *para){
    // 接 C 语言的字符串
    //    NSLog(@"===> %@ %s", [NSThread currentThread], para);
    // __bridge 将 C 语言的类型桥接到 OC 的类型
    NSString *name = (__bridge NSString *)(para);
    
    NSLog(@"===>%@ %@", [NSThread currentThread], name);
    
    return NULL;
}

C和OC的桥接

  • __bridge只做类型转换，但是不修改对象(内存)管理权
  • __bridge_retained(也可以使用CFBridgingRetain)将Objective-C的对象转换为 Core Foundation的对象，同时将对象(内存)的管理权交给我们，后续需要使用 CFRelease或者相关方法来释放对象
  • __bridge_transfer(也可以使用CFBridgingRelease)将Core Foundation的对象 转换为Objective-C的对象，同时将对象(内存)的管理权交给ARC。

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。
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