iOS深入理解线程与锁

什么是线程

如图是线程在进程中的模型，有关内存存储分区可以看这篇文章：https://www.jianshu.com/p/ed84101e0efe
线程是执行流的最小单元，线程由以下几个部分组成

• 线程ID
• 当前指令指针
• 寄存器集合
• 堆栈
  iOS的一个app启动之后，操作系统就会为其分配一个进程，一个进程由一个或者多个线程组成

线程的共享空间：
各个线程共享程序的代码段（装载到内存的可执行代码）、数据段（又称全局区）、堆区以及打开的文件

线程的私有空间：
栈、线程局部存储（Thread Local Storage，简称TLS，容量有限仅用于存储线程状态机和线程控制流标识）、寄存器（操作系统会在CPU的高速缓存上申请一块内存，用于处理执行流的基本数据单元）

线程私有	多线程共享
局部变量	全局变量
函数的形参	静态变量
TLS数据	堆区数据
	代码段
	文件流

为何需要多线程

无论是单核处理器还是多核处理器，多线程都是充分利用资源的重要手段，而且主流手机基本都搭载了至少双核的处理器，多线程可以优雅的处理以下问题：

• 某个操作会陷入长时间等待
• 某个长任务会消耗大量时间
• 某些逻辑本身需要并发处理

线程调度

单核CPU不存在真正意义上的并发，操作系统会切分很小的时间片分配给各个线程，通常几十到几百毫秒，使其轮流执行，看上去就像并发一样，这就是线程调度，每个线程都有各自的优先级，高优先级的线程总是被优先执行，低优先级的也一定会执行，如果高优先级的线程一直占用CPU，一段时间后操作系统会使其休眠，让低优先级的线程不至于饿死，线程一般有4种状态

• 运行中
• 已就绪
• 等待中
• 阻塞中

线程状态流转：
运行中的线程时间片用尽，会进入已就绪状态
运行中的线程执行到临界区时候会尝试获取资源，获取到资源会继续执行否则会进入阻塞中状态
运行中线程由于业务逻辑可主动进入等待中状态
已就绪线程被分配时间片，会进入运行中状态
等待中的线程等待结束，会进入已就绪状态
阻塞中的线程被分配时间片会检测临界区资源，如果获取到资源，则进入运行中状态否则继续阻塞

多线程的安全问题

多线程环境下，因为全局变量和堆区数据可能随时被其他线程改变而产生很大的不确定性，但是程序逻辑所希望的执行结果通常是固定的，如果数据一致性得不到保障，程序逻辑无法得到预期结果，程序将失去意义甚至crash，因此保证单条指令的执行是完整不能被打断的（原子性）尤为重要

锁的分类与性质

多线程访问同一个数据会造成不可以预知的结果，锁保证了多线程对一个数据的访问是同步的，即实现了原子性

• 信号量：
  线程访问资源的时候首先获取信号量，同时将信号量的值-1，若信号量的值小于0则进入阻塞状态否则可以执行，执行完成后释放信号量，同时将信号量的值+1

• 互斥锁
  互斥锁保证临界区同时只有一个线程可以访问，与信号量的不同点在于，同一个信号量可以被任意一个线程获取和释放，而互斥锁则要求哪个线程加锁哪个线程释放，一个线程尝试释放被其他线程获取的锁是无效的

• 读写锁
  读写锁用于提升特定多线程场景下的执行效率，允许多个线程同时读，但是只要有一个线程在写，其他读写线程都无法执行，读写锁有两种获取方式，，共享的与独占的，当锁处于自由状态时，任何一种获取方式都能成功，如果锁处于共享状态，其他线程以共享的方式获取仍然可以成功，以独占的方式获取则会进入等待中状态直到锁被所有的线程释放，处于独占状态的锁会拒绝其他线程以任何方式获取锁

读写锁状态	以共享的方式获取	以独占的方式获取
自由	成功	成功
共享	成功	等待
独占	等待	等待

• 条件变量
  条件变量适用于多个线程同时等待一个操作执行的场景，当操作被执行，单个线程可以被唤醒或者所有线程一起被唤醒

iOS中的线程

操作系统实现了一个线程工厂称为线程池，还有一个配合工作的管理器称为调度中心，iOS系统并没有接口去直接操作线程池，线程的创建、调度、销毁全权交给线程池，当我们试图去创建一个线程的时候，调度中心会检查线程池的运行状态、运行线程数、运行策略，决定接下来的执行流程，是直接申请线程执行还是放入缓冲队列中，待到执行的时候，线程池决定是开辟新的线程还是复用现有空闲线程，长时间空闲的线程会被回收（一般10s左右）
iOS操作系统为线程运行配备了一套数据结构，一个栈、一个autoreleasePool、一个runloop（懒加载）以及一些用于控制状态的标志位变量，这些变量存储在TLS

• 栈：存放函数的参数值与局部变量的值等
• autoreleasePool：存放当前线程产生的autorelease对象
• runloop：一个while循环，用于线程可持续运行的一个循环，苹果将它封装成一个类，内部注册了一些观察者，实现了一套状态机，动可执行，静可休眠

iOS中的锁

这里只讨论原理和适用场景，不再给出demo，使用方法可以看苹果的api或者官网文档

• 互斥锁NSLock
  控制多线程临界区资源的同步访问，底层封装的是pthread_mutex

• 递归锁NSRecursiveLock
  互斥锁的一种，同一个线程多次加锁不会死锁，底层封装的是pthread_mutex(recursive)

• 互斥锁@synchronized
  与NSLock相比，用法不同，功能一样

• 自旋锁OSSpinLock
  互斥锁的一种，没有获取到锁的线程不会进入休眠而是一直尝试获取锁，这里给大家纠正个问题，苹果的OSSpinLock没有什么问题，就是常规的自旋锁，线程调度与锁本身就存在优先级反转问题，不是苹果的实现有bug而是问题本就存在
  到底什么是优先级反转呢：
  A线程 最高优先级
  B线程 中等优先级
  C线程 最低优先级
  A与C有临界区资源
  C先于Ａ执行，A等待C释放锁
  当C的时间片用完还没有执行完成即锁还没有释放，此时A最高优先级的到时间片并尝试获取锁但是获取失败了因为C还没有释放锁，A继续阻塞，B由于优先级高于C，此时获得时间片执行，这就导致看上去A在等待B的假象，这种现象就叫做优先级反转，那么如何解决这个问题呢，这就需要程序员在设计多线程任务的时候，尽量保证并发的的多个线程尽量处于同一个优先级上，即A与C同一个优先级，这样当C等待B的时候，A理所应当的一起等待，如若真的有优先级严格的业务逻辑，那怎么办呢，设置强依赖，即只有当A完成的时候在执行C
  其实OSSpinLock自旋锁的真正问题在于CPU分配的时间片一直被浪费在一条判断语句指令上直到时间片用完，并且在单核CPU上这种尝试是无效的，因为不可能在尝试过程中获得锁，因此自旋锁的应用场景是在多核CPU上执行的并发短任务，所以场景合适的话尽情的使用吧

• 条件锁NSConditionLock
  当被分配到时间片时候会检测条件是否符合，符合直接执行否则放弃时间片线程进入等待中状态，NSConditionLock通过条件变量可以实现线程间依赖，配合互斥锁可以实现读写锁

• 条件变量NSCondition
  条件变量适用于多个线程同时等待一个操作执行的场景，当操作被执行，单个线程可以被唤醒或者所有线程一起被唤醒

• 信号量dispatch_semaphore
  控制多线程并发与互斥锁有本质区别，互斥锁旨在控制资源的同步访问，并不关心多线程并发数，而信号量可以严格控制并发数