iOS多线程原理
多线程原理
线程和进程的关系和区别
1、线程定义
- 线程是进程的基本执行单元,一个进程的所有任务都要在线程中执行
- 进程要想执行任务，必须得有线程，进程至少要有一条线程
- 程序启动默认会创建一条线程，这条线程被称为主线程或者UI线程
2、进程定义
- 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，每个进程运行在其专用的受保护的内存中
3、进程和线程的区别
- 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。
- 可靠性：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得死掉。所以多进程要比多线程健壮。
- 进程切换时，消耗的资源大，效率低。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，但是进程不是。
| 对比维度 | 多进程 | 多线程 | 总结 |
|---|---|---|---|
| 数据共享、同步 | 数据共享复杂，需要用IPC；数据是分开的，同步简单 | 因为共享进程数据，数据共享简单，但也是因为这个原因导致同步复杂 | 各有优势 |
| 内存、CPU | 占用内存多，切换复杂，CPU利用率低 | 占用内存少，切换简单，CPU利用率高 | 线程占优 |
| 创建销毁、切换 | 创建销毁、切换复杂，速度慢 | 创建销毁、切换简单，速度很快 | 线程占优 |
| 编程、调试 | 编程简单，调试简单 | 编程复杂，调试复杂 | 进程占优 |
| 可靠性 | 进程间不会互相影响 | 一个线程挂掉将导致整个进程挂掉 | 进程占优 |
| 分布式 | 适应于多核、多机分布式；如果一台机器不够，扩展到多台机器比较简单 | 适应于多核分布式 | 进程占优 |
多线程的意义
- 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
- 线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁
- 缺点
- 开启线程需要占用一定的内存空间（默认一个线程大小为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
多线程的原理
CPU在不同的线程之间以一个非常小的时间片不断的进行调度。
多线程技术方案
1、pthread
- 一套通用的多线程API
- 适用于Unix/Linux/Windows等系统
- 跨平台/可移植
- 使用难度大
- C语言，需要手动管理线程生命周期
2、NSThread
- 使用更加面向对象
- 简单易用，可直接操作线程对象
- OC语言，需要手动管理线程对象
3、GCD
- 苹果为多核并行运算开发的解决方案
- 会自动利用更多的CPU内核（比如双核、四核）
- 程序员只需要将任务添加到队列中，不需要编写任何线程管理代码
- OC语言，自动管理生命周期
4、NSOperation
- 基于GCD，但是比GCD多了一些简单实用的功能
- 使用更加面向对象
- 可添加完成的代码块，在操作完成之后执行
- 添加操作之间的依赖关系，方便的控制执行顺序
- 可以设定操作执行的优先级
- 可以很方便的取消一个操作的执行
- 使用KVO观察对操作执行状态的更改：isExecuteing、isFinished、isCancelled
- OC语言，手动管理生命周期
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Core Foundation的对象，后续使用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。
线程生命周期
线程的生命周期分为5个部分，新建、就绪、运行、阻塞、死亡。
线程生命周期.png
- 新建：实例化线程对象
- 就绪：向线程对象发送start消息，线程对象被加入可调度线程池等待CPU调度
- 运行：CPU负责调度可调度线程池中线程执行。当前线程任务执行完毕后，进入就绪状态，即有一个短暂停留期，如果在这期间有新的任务，则继续执行这个任务，如果没有新的任务，则线程销毁，等有下一个任务的时候，则开启新的线程执行。
- 阻塞：当满足某个预定条件时，可以使用休眠或锁，阻塞线程执行。sleepForTimeInterval（休眠指定时长），sleepUntilDate（休眠到指定日期），@synchronized(self)：（互斥锁）。
- 死亡：正常死亡，线程执行完毕。非正常死亡，当满足某个条件后，在线程内部中止执行或者在主线程中止线程对象。
线程的exit、cancel和suspend操作区别。
- exit：一旦强行终止线程，后续的所有代码都不会被执行
- cancel：并不会直接取消线程，只是给线程对象添加isCancelled标记
- suspend：挂起状态，通过resume，可以恢复线程的任务执行
线程声明周期2
线程池的实现原理
线程池的实现原理如下图所示：
线程池实现原理.png
线程安全与锁
1、什么是线程安全？
多线程操作共享数据不会出现想不到的结果就是线程安全的，否则，是线程不安全的。比如：多个线程同时访问或读取同一共享数据，每个线程的读到的数据都是一样的，也就不存在线程不安全。如果多个线程对同一资源进行读写操作，那么每个线程读到的结果就是不可预料的，线程是不安全的。
2、多线程锁
线程安全的解决方法就是加锁 。
锁是最常用的同步工具。一段代码段在同一个时间只能允许被一个线程访问。
不要将过多的其他操作代码放到里面，否则一个线程执行的时候另一个线程就一直在等待，就无法发挥多线程的作用了。下图是iOS常用锁的性能表。
锁的性能对比.png
具体各种锁的介绍看文章：
1、iOS多线程-各种线程锁的简单介绍
2、iOS开发中的11种锁整理
3、atomic与nonatomic的区别
- nonatomic 非原子属性
- atomic 原子属性（线程安全），针对多线程设计，默认值
- 保证同一时间只有一个线程能够写入（但是同一时间多个线程都可取值）
- atomic本身就有一把锁（自旋锁）
- 单写多读：单个线程写入，多个线程可以读取
- atomic：并非完全的线程安全，只有用setter方法写入才是线程安全的，需要消耗大量资源
- nonatomic：非线程安全，适合内存小的移动设备、
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。
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去创建，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。
参考文章：
1、浅谈多进程多线程的选择
2、多线程原理分析
3、iOS多线程全套：线程生命周期，多线程的四种解决方案，线程安全问题，GCD的使用，NSOperation的使用
4、iOS线程通信和进程通信的例子（NSMachPort和NSTask，NSPipe）
