iOS 深入了解多线程原理

氵冘尛爺
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线程和进程的定义

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个线程，这条线程被称为主线程或 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。
  • Mac 操作系统可以通过活动监视器查看 Mac 系统中所开启的进程。

注: iOS 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。

进程和线程的关系

  • 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。

进程和线程的注意事项

1. 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的进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉了。

2. 使用场景：频繁切换、并发操作

  • 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。

3. 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。
  • 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。

4. 线程是处理调度的基本单位，但是进程不是。
5. 线程没有地址空间，线程包含在进程地址空间中。

进程和 RunLoop 的关系

  1. 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。
  2. RunLoop 是来管理线程的，当线程的 RunLoop 被开启后，线程会再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。
  3. RunLoop 在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁。
  4. 对于主线程来说，RunLoop 在程序一启动就默认创建好了。
  5. 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。

多线程的意义

优点：

  1. 能适当提高程序的执行效率。
  2. 能适当提高资源的利用率（CPU、内存）。
  3. 线程上的任务执行完成，线程会自动销毁。

缺点：

  1. 开启线程需要占用一定的内存空间（默认情况下，每一个线程都占用 512 KB）。
  2. 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。
  3. 线程越多，CPU 在调用线程上的开销就越大。
  4. 程序设计更加复杂，比如线程间的通信、多线程的数据共享。

多线程的原理

  • 对于单核 CPU，同一时间，CPU 只能处理一条线程，换言之，同一时间只有一条线程在执行。

  • 多线程同时执行
    本质就是CPU 在多个任务直接进行快速的切换，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。

  • 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。

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

  • New(新建)：主要是实例化线程对象

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

  • Running(运行)：CPU 负责调度可调度线程中线程的执行，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。

  • Blocked(阻塞)：当满足某个预定条件时，可以使用休眠，即 sleep，或者同步锁，阻塞线程执行。当进入 sleep 时，会重新将线程加入就绪中。下面关于休眠的时间设置：

    • 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)

  • 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）

时间片的概念：CPU 在多个任务直接进行快速的切换，这个时间间隔就是时间片。

  • 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。

【面试题】线程的优先级越高，是不是意味着任务的执行越快？
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，以下是相关的枚举值

typedef NS_ENUM(NSInteger, NSQualityOfService) {
    NSQualityOfServiceUserInteractive = 0x21,
    NSQualityOfServiceUserInitiated = 0x19,
    NSQualityOfServiceUtility = 0x11,
    NSQualityOfServiceBackground = 0x09,
    NSQualityOfServiceDefault = -1
}

线程池原理

image.png

-【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（这四种拒绝策略均实现的RejectedExecutionHandler）

`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

多线程技术方案

image.png

C 与 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。

线程安全问题

当多个线程同时访问一块资源时，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

    保证锁内的代码，确保`同一时间，只有一条线程能够执行`。
如果代码中`只有一个地方需要加锁，大多都使用 self`，这样可以避免单独再创建一个锁对象。
加了互斥锁的代码，当新线程访问时，如果发现其他线程正在执行锁定的代码，新线程就会进入`休眠`。

    注：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 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`。
使用场景：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】：自旋锁与互斥锁区别

  • 同：在同一时间，保证了只有一条线程执行任务，即保证了相应同步的功能

  • 不同：

    - `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`。
- 反之则用互斥锁。

atomic(原子锁)与 nonatomic(非原子锁)的区别

atomic

  • atomic 原子属性(线程安全), 针对多线程设计的，是默认值。
  • 仅仅在属性的 setter 方法中，增加了锁(自旋锁)，能够保证同一时间，只有一条线程对属性进行写操作。
  • 同一时间 单(线程)写多(线程)读的线程处理技术。
  • Mac 开发中常用。

nonatomic

  • 非原子属性。
  • 非线程安全，适合内存小的移动设备。

注: iOS 开发的建议

  • 所有属性都声明为 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，减小移动客户端的压力

线程间通讯

Threading Programming Guide 有兴趣的小伙伴可参考官方文档大致了解下。

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