OC底层原理二十五:内存五大区 & 多线程
本节将介绍内存五大区
和多线程
:
- 内存五大区
- 多线程
- 互斥锁与自旋锁
- atomic与nonatomic的区别
- 线程与RunLoop
1. 内存五大区
按照地址
从高
到低
排列: 栈区
-> 堆区
-> 全局静态区
-> 常量区
-> 代码区
(内核区
和保留部分
不再考虑范围内)

补充说明:
内存五大区
,实际是指虚拟内存
,而不是
真实物理内存
。(详情可查看👉 本文第3点 虚拟内存与物理内存)iOS系统
中,应用
的虚拟内存
默认分配4G
大小,但五大区
只占3G
,还有1G
是五大区
之外的内核区
1.1 栈区
- 函数内部定义的
局部变量
和数组
,都存放在栈区
; (比如每个函数都有的(id self, SEL _cmd)
) - 栈区的
内存空间
由系统管理
。(函数调用
时开辟空间
,函数调用结束
时回收空间
) - 栈是从
高地址
向低地址
扩展,是一块连续的内存区域
,遵循FILO先进后出
原则,效率高。 - 栈区一般在
运行时
进行分配
缓冲区域
栈区
和堆区
中间有小块未使用
的内存区域
。用于给栈区
和堆区
之间创建一个缓冲区域
-
溢出:
到达缓冲区
的数据
向小缓冲区复制
的过程中,由于没有注意
小缓冲区的边界
,导致小缓存区满了
,从而覆盖
了和小缓存区相邻内存区域
的其他数据
而引起
的内存问题
。
(就像桶盛水,水多了,自然越界溢出来了。)
1.2 堆区
- 空间最大,由我们手动管理。(ARC自动管理)
- 堆是从
低地址
向高地址
扩展。 -
malloc、calloc、realloc开辟
: 堆区开辟空间
,可以是不连续
的内存区域
,以链表结构
存在(增删快,查找慢)。返回首地址
存放在栈区。 -
free回收
。释放
对象在堆区
的内存
,并将栈中
的地址指针置空
。
需要注意:
-
野指针
:提前释放了,查询时找不到内容 -
内存泄露
:没有释放,一直占用内存 -
过度释放
:对已释放的对象进行release操作。
1.3 全局静态区(.bss)
- 存放
全局变量
和静态变量
- 空间由
系统管理
。(程序启动
时,开辟空间
;程序结束
时,回收空间
;程序执行期间一直存在
) -
static
修饰的变量仅执行一次
,生命周期
为整个程序运行期
1.4 常量区(.data)
- 存放常量(
整型
、字符型
,浮点
,字符串
等),整个程序运行期
不能被改变。 - 空间由
系统管理
,生命周期
为整个程序运行期
。
1.5 代码区(.text)
- 存放
程序执行
的CPU指令
。(编译期
将代码
转换为CPU
指令)
define
和const
区别:
define
: 宏。编译期不会
进行语法识别
,没有类型
。编译期会分配内存
。每次使用
都会进行宏替换
和开辟内存
。
const
: 常量。编译期会
进行语法识别
,需要指定类型
。编译期不
会分配内存
,仅在第一次
使用时,开辟内存
并记录
内存地址
。后续
调用时不
会开辟内存
,直接返回
记录的内存地址
。效率
更快
。内存
占用更少
。
可以通过以下代码,加深印象:
- (void)test {
NSInteger i = 666;
NSLog(@"NSInteger i -> 内存地址:%p", &i); // 【局部变量】 栈区
NSString * name = @"HT";
NSLog(@"NSString name -> 内存地址: %p", name); // 【字符串内容】 存放在常量区
NSLog(@"NSString name -> 指针地址: %p", &name);// 【局部变量name的指针】 存放在栈区
NSObject * objc = [NSObject new];
NSLog(@"NSObject objc -> 内存地址: %p", objc);// 【对象的内容】 存放在堆区
NSLog(@"NSObject objc -> 指针地址: %p", &objc);//【对象的指针】 存放在栈区
}
- 打印结果: (
0x7
开头:栈区
、0x1
开头:常量区
、0x6
开头:堆区
)
image.png
2. 多线程
官方文档: 👉 相关链接
1. 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
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 - 通过
活动监视器
可以查看
Mac系统中所开启的线程
。
image.png
2. 线程与进程的关系
-
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
本进程内的资源
(如内存
、I/O
、cpu
等),但进程之间
资源是相互独立
的。
-
进程崩溃
后,保护模式下不会
对其他进程
产生影响
,但一个线程崩溃
会导致整个进程
都死掉
。所以多进程比多线程健壮
。 -
进程切换
时,消耗
的资源大
。涉及频繁切换
时,使用线程
要好过
于进程
。同样要求同时进行
且共享
某些变量
的并发操作
时,只能
用线程
不能用进程。 -
执行过程
:每个独立的进程
都有一个程序运行入口
和顺序执行序列
。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
。 -
线程
没有地址空间
,线程包含
在进程地址空间中
。
3. 多线程的意义
- 优点:
- 适当提高
执行效率
- 适当提高
资源
的利用率
(CPU、内存等) - 线程上的
任务执行完
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
(参照下面 第5点 线程成本 ) - 开启大量线程,会
占用
大量内存空间
,降低
程序性能
-
线程越多
,CPU
在调度线程上的开销越大
- 程序
设计
更加复杂
(如线程间的通讯,多线程的数据共享等)
4. 时间片
时间片的概念: CPU
在多个任务
之间进行快速切换
,这个时间间隔
就是时间片
。
-
(
单核CPU
)同一时间,CPU只能处理1个线程
-
多线程同时执行:
理论上,只要CPU
在多个线程切换
的足够快
(时间片足够小),就可以做出"同时执行"
的假象
。
(但实际上,一个CPU
单次只对一个线程
进行调度
。所以多线程同步
需要多个CPU
的处理器
(多核
)才可以做到。) -
如果
线程
数非常多
,CPU在多个线程之间切换,会消耗
大量CPU资源
。
每个线程
被调度的次数
会降低
,线程的执行效率
会降低
5. 线程成本

- 谷歌翻译:

-
内核数据结构
: 1KB -
堆空间
:iOS主线程:1MB,OSX主线程:8MB、其他辅助线程:512KB -
创建时间
:平均90微妙
6. 多线程技术方案

1. pthread
pthread
是一套通用
的多线程 API
,可以在Unix
/ Linux
/ Windows
等系统跨平台使用,使用 C 语言
编写,需要程序员自己管理
线程的生命周期
,使用难度较大
,我们在 iOS 开发中几乎不使用
。
- 简单使用实例:
#import <pthread.h>
- (void)createThread {
// 1. 创建线程:定义一个pthread_t类型变量
pthread_t thread;
// 2. 开启线程:执行任务
// 参数1: 要开的线程变量
// 参数2:线程的属性
// 参数3:子线程的执行函数(任务)
// 参数4:函数入参
pthread_create(&thread, NULL, run, @"入参");
// 3. 设置子线程的状态设置为detached,该线程运行结束后会自动释放所有资源
pthread_detach(thread);
}
void * run(void * param) {
NSLog(@"%@ %@", [NSThread currentThread], param);
return NULL;
}
- 打印结果:

- 其他方法:
pthread_create()
: 创建一个线程
pthread_exit()
: 终止当前线程
pthread_cancel()
: 中断另外一个线程的运行
pthread_join()
:阻塞当前的线程,直到另外一个线程运行结束
pthread_attr_init()
:初始化线程的属性
pthread_attr_setdetachstate()
:设置脱离状态的属性(决定这个线程在终止时是否可以被结合)
pthread_attr_getdetachstate()
:获取脱离状态的属性
pthread_attr_destroy()
: 删除线程的属性
pthread_kill()
: 向线程发送一个信号
2. NSThread
NSThread
是苹果官方提供的,使用起来比pthread
更加面向对象,简单易用,可直接操作
线程对象
,需要自己管理
线程生命周期
。实际开发中偶尔使用
。
-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
[self createThread1];
// [self createThread2];
// [self createThread3];
}
//MARK: - 创建线程
//创建线程 (手动启动)
-(void)createThread1{
// 实例化一个线程对象
NSThread *thread=[[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(run1) object:nil];
// 线程名称
thread.name = @"Thread1Name";
/**
NSQualityOfServiceUserInteractive = 0x21, 用户交互 - 最高(21)
NSQualityOfServiceUserInitiated = 0x19, 用户马上执行的事件 - 较高(19)
NSQualityOfServiceUtility = 0x11, 普通任务 - 普通(11)
NSQualityOfServiceBackground = 0x09, 后台任务 - 较低 (9)
NSQualityOfServiceDefault = -1 常规 - 最低
*/
// 线程优先级
thread.qualityOfService = NSQualityOfServiceDefault;
// 线程启动
[thread start];
}
//创建线程 (自动启动)
-(void)createThread2{
//创建线程后自动启动线程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run2:) toTarget:self withObject:@"createThread2"];
}
//创建线程 (自动启动)
-(void)createThread3{
//隐式创建线程并启动
[self performSelectorInBackground:@selector(run2:) withObject:@"createThread3"];
}
//MARK: - 耗时操作
- (void)run1{
for (int i=0; i<200; i++) {
NSLog(@"%d----%@",i,[NSThread currentThread]);
}
}
- (void)run2:(NSString*)param{
for (int i=0; i<200; i++) {
NSLog(@"%d----%@---%@",i,[NSThread currentThread],param);
}
}
- 创建:
-
createThread1
:手动
启动线程,可以配置
线程属性(名称、优先级); -
createThread2
:自动
启动线程,快捷便利,不支持配置
线程属性; -
createThread3
:隐式
创建线程并启动,快捷便利,不支持配置
线程属性;
- 任务:
run1
无参数,run2
带参数
其他方法:
+ (NSThread *)mainThread
: 获得主线程
- (BOOL)isMainThread
: 判断是否为主线程(对象方法)
+ (BOOL)isMainThread
: 判断是否为主线程(类方法)
NSThread *current = [NSThread currentThread]
: 获得当前线程
- (void)setName:(NSString *)n
: 线程的名字——setter方法
- (NSString *)name
: 线程的名字——getter方法
- (BOOL)isCancelled
:判断是否已取消
- (BOOL)isFinished
:判断是否已经结束
- (BOOL)isExecuting
:判断是否正在执行状态控制方法:
- (void)start
:线程进入就绪状态 -> 运行状态。当线程任务执行完毕,自动进入死亡状态
- (void)cancel
: 线程取消
- (void)setName:(NSString *)n
: 线程的名字——setter方法
+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date
:阻塞(暂停)线程方法
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti
:线程进入阻塞状态
+ (void)exit
:线程进入死亡状态(立即终止除主线程以外所有线程)线程之间的通信:
在主线程上执行操作
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray<NSString *> *)array
在指定线程上执行操作
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray *)array NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
在当前线程上执行操作,调用 NSObject 的 performSelector:相关方法
- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;
- 售票案例(
线程安全
,多读单写
)
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, assign) NSInteger ticketSurplusCount; // 剩余票数
@property (nonatomic, strong) NSThread *ticketSaleWindow1; // 线程1
@property (nonatomic, strong) NSThread *ticketSaleWindow2; // 线程2
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
[self initTicketStatusSave];
}
/**
* 初始化火车票数量、卖票窗口(线程安全)、并开始卖票
*/
- (void)initTicketStatusSave {
// 1. 设置剩余火车票为 50
self.ticketSurplusCount = 50;
// 2. 设置北京火车票售卖窗口的线程
self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火车票售票窗口";
// 3. 设置上海火车票售卖窗口的线程
self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火车票售票窗口";
// 4. 开始售卖火车票
[self.ticketSaleWindow1 start];
[self.ticketSaleWindow2 start];
}
/**
* 售卖火车票(线程安全)
*/
- (void)saleTicketSafe {
while (1) {
// 互斥锁
@synchronized (self) {
//如果还有票,继续售卖
if (self.ticketSurplusCount > 0) {
self.ticketSurplusCount --;
NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数:%ld 窗口:%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
[NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
}
//如果已卖完,关闭售票窗口
else {
NSLog(@"所有火车票均已售完");
break;
}
}
}
}
3. GCD
- GCD(
Grand Central Dispatch
),大中央调度
。
对线程操作
进行了封装
,加入了很多新的特性,内部进行了效率优化
,提供了简洁的C
语言接口
,使用简单高效
,是苹果推荐的方式。使用频率高
。
#pragma mark - GCD演练
/**
并发队列,同步执行
*/
- (void)gcdDemo4 {
// 1. 队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("itcast", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 2. 同步执行任务
for (int i = 0; i < 10; i++) {
dispatch_sync(queue, ^{
NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
});
}
}
/**
并发队列,异步执行
*/
- (void)gcdDemo3 {
// 1. 队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("itcast", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 2. 异步执行任务
for (int i = 0; i < 10; i++) {
dispatch_async(queue, ^{
NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
});
}
}
/**
串行队列,异步执行
*/
- (void)gcdDemo2 {
// 1. 队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("itcast", NULL);
// 2. 异步执行任务
for (int i = 0; i < 10; i++) {
dispatch_async(queue, ^{
NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
});
}
}
/**
串行队列,同步执行(开发中非常少用)
*/
- (void)gcdDemo1 {
// 1. 队列
// dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("icast", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("icast", NULL);
NSLog(@"执行前----");
// 执行任务
for (int i = 0; i < 10; i++) {
NSLog(@"调度----");
// 在队列中"同步"执行任务,串行对列添加同步执行任务,会立即被执行
dispatch_sync(queue, ^{
NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
});
}
NSLog(@"for 后面");
}
4. NSOperation
NSOperation
是基于GCD
的一个抽象基类
,将线程封装
成要执行的操作,不需要管理
线程的生命周期
和同步
,但比GCD可控性
更强
。例如可以加入操作依赖
(addDependency
)、设置操作队列
最大可并发执行的操作个数
(setMaxConcurrentOperationCount
)、取消
操作(cancel
)等。
NSOperation
作为抽象基类不具备
封装我们的操作的功能,需要使用两个它的实体子类:NSBlockOperation
和NSInvocationOperation
,或者继承NSOperation自定义子类
。
NSBlockOperation
和NSInvocationOperation
用法的主要区别
是:前者
执行指定的方法
,后者
执行代码块
,相对来说后者
更加灵活易用
。NSOperation
操作配置完
成后便可调用start
函数在当前线程执行
,如果要异步执行避免阻塞
当前线程则可以加入NSOperationQueue
中异步执行
。
- 测试代码
- (void)opDemo2 {
NSOperationQueue *q = [[NSOperationQueue alloc] init];
[q addOperationWithBlock:^{
NSLog(@"耗时操作 %@", [NSThread currentThread]);
[[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{
NSLog(@"更新UI %@", [NSThread currentThread]);
}];
}];
}
- (void)opDemo1 {
NSInvocationOperation *op = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(downloadImage:) object:@"Invocation"];
// start 会立即在当前线程执行 selector 方法
// [op start];
// 将操作添加到队列,会自动异步执行
NSOperationQueue *q = [[NSOperationQueue alloc] init];
[q addOperation:op];
}
- (void)downloadImage:(id)obj {
NSLog(@"%@ %@", [NSThread currentThread], obj);
}
7. 线程生命周期

-
新建:
new
新建线程后,调用start
后,并不会立即执行
,而是进入就绪
状态,等待CPU
的调度。
-
新建:
-
运行:
CPU
调度当前线程
,进入运行状态
,开始执行任务。
如果当前线程
还在运行中
,CPU
从可调度池中调用其他线程
,来执行此任务。
-
运行:
-
阻塞:
运行中
的任务,被调用sleep
/等待同步锁
时,会进入阻塞状态
。所有线程都停止,等待sleep结束
/获取同步锁
,才会回到就绪状态
。
-
阻塞:
-
死亡:
运行中
的任务,在任务执行完
或被强制退出
时,线程自动进入Dead
销毁。
-
死亡:
线程池调度:

饱和策略:

3. 互斥锁与自旋锁
- 互斥锁:
- 保证
锁内代码
,同一时间
,只有一条线程
能够执行
; - 互斥锁的
锁定范围
,应该尽量小
,锁定范围越大
,效率越差
- 互斥锁参数:
- 能够
加锁
的任意NSObject
对象 -
锁对象
要保证所有线程
都能够访问
- 如果代码只有
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
-
自旋锁:
耗性能
,循环轮循
是否可执行
。自旋锁内容
应尽可能小
,保障尽快完成锁内任务
。
互斥锁与自旋锁的区别:
互斥锁
是被动等待
代码触发
,再上锁。自旋锁
是主动轮循
请求资源。所以自旋锁
更消耗资源。
- 要求
立即执行
,任务资源较小
(执行耗时短)时,可选择自旋锁
。被动触发
,任务资源较大
(执行耗时长)时,选择互斥锁
。
4. atomic与nonatomic的区别
-
nonatomic:
非原子
属性。非线程安全
,适合内存小的移动设备。 -
atomic
原子
属性。线程安全
,需要消耗大量的资源。是默认值
。
atomic
是针对多线程设计的,本身有自旋锁
, 实现单写多读
:单个线程写入,多个线程可以读取。
iOS官方建议:
所有属性都声明为nonatomic
,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
**
5. 线程与RunLoop
-
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,只有当我们使用时
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
。