iOS底层原理（四）：多线程

一、GCD

• 1. iOS中常见的多线程方案有：pthread、NSThread、GCD、NSOperation，我们用的最多的还是GCD
• 2. GCD的常用函数有两个：

  • 用同步的方式执行任务：dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);其中，sync代表同步，queue代表队列，block代表任务

  • 用异步的方式执行任务：dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);其中，async代表异步，queue代表队列，block代表任务

• 3. GCD的队列分为2大类型：

  • 并发队列，可以让对个任务并发同时执行，自动开启多个线程同时执行任务，并发功能只能在异步函数dispatch_async下才有效

  • 串行队列，让任务一个接着一个执行，一个执行完毕后再执行下一个

• 4. 将四个术语分清楚：同步、异步、并发、串行

  • 同步和异步主要影响：能不能开启新的线程

    • 同步：在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力

    • 异步：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力

  • 并发和串行主要影响：任务的执行方式

    • 并发：多个任务并发（同时）执行

    • 串行：一个任务执行完毕后，在执行下一个任务

• 5. 各种队列的执行效果：

各种队列执行的效果

• 6. 产生死锁的原因：使用sync函数往当前串行队列中添加任务，会卡住当前的串行队列，从而产生死锁

• 7. 队列组的使用，使用队列组可以做到：异步执行任务1、任务2，等任务1、任务2都执行完毕后，再回到主线程执行任务3，如下所示：

     
     队列组

二、iOS中的线程同步方案

• 1. 当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题，例如开启多线程卖票时，就会出现数据异常的问题，解决方案就是使用线程同步技术，常见的线程同步技术就是加锁，如下所示：
     线程同步方案-加锁
• 2. iOS中的线程同步方案通常有十种，如下所示：
  • OSSpinLock
  • os_unfair_lock
  • pthread_mutex
  • dispatch_semaphore
  • dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
  • NSLock
  • NSRecursiveLock
  • NSCondition
  • NSConditionLock
  • @synchronized
• 3. OSSpinLock属于”自旋锁”，等待锁的线程会处于忙等（busy-wait）状态，一直占用着CPU资源，目前已经不再安全，可能会出现优先级反转问题：如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用着CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁
  • 需要导入头文件#import <libkern/OSAtomic.h>
  OSSpinLock.png
• 4. os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock ，从iOS10开始才支持，从底层调用看，等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态，并非忙等状态
  • 需要导入头文件#import <os/lock.h>
    os_unfair_lock.png
• 5. mutex属于”互斥锁”，等待锁的线程会处于休眠状态
  • 需要导入头文件#import <pthread.h>
    mutex.png
• 6. NSLock是对mutex普通锁的封装，NSRecursiveLock也是对mutex递归锁的封装，API跟NSLock基本一致，NSCondition是对mutex和cond的封装，NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值
• 7. semaphore叫做”信号量”

  • 信号量的初始值，可以用来控制线程并发访问的最大数量；

  • 假设信号量的初始值为1，就代表同时只允许一条线程访问资源

    
    semaphore.png
• 8. 也直接使用GCD的串行队列，实现线程同步

GCD的串行队列

• 9. @synchronized是对mutex递归锁的封装，源码查看：objc4中的objc-sync.mm文件
  • @synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作

@synchronized.png

• 10. iOS线程同步方案性能从高到低排序，如下所示：
  • os_unfair_lock
  • OSSpinLock
  • dispatch_semaphore
  • pthread_mutex
  • dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
  • NSLock
  • NSCondition
  • pthread_mutex(recursive)
  • NSRecursiveLock
  • NSConditionLock
  • @synchronized

三、自旋锁和互斥锁比较

• 1. 什么是自旋锁？

  • 自旋锁是一种特殊的互斥锁，当资源被加锁后，其它线程想要再次加锁，此时该线程不会被阻塞睡眠而是陷入循环等待状态（不能再做其它事情），循环检查资源持有者是否已经释放了资源。（即忙等状态）

  • 这样做的好处是减少了线程从睡眠到唤醒的资源消耗，但会一直占用CPU资源。适用于资源的锁被持有的时间短，而不希望在线程的唤醒上花费太多资源的情况。

• 2. 什么情况使用自旋锁比较划算？

  • 预计线程等待锁的时间很短

  • 加锁的代码（临界区）经常被调用，但竞争情况很少发生

  • CPU资源不紧张

  • 多核处理器

• 3. 什么是互斥锁？

  • 互斥锁，共享资源的使用是互斥的，即一个线程获得资源的使用权后就会将该资源加锁，使用完后会将其解锁，所以在使用过程中有其它线程想要获取该资源的锁，那么它就会被阻塞陷入睡眠状态，直到该资源被解锁才会别唤醒

  • 如果被阻塞的资源不止一个，那么它们都会被唤醒，但是获得资源使用权的是第一个被唤醒的线程，其它线程又陷入沉睡。

• 4. 什么情况使用互斥锁比较划算？

  • 预计线程等待锁的时间较长

  • 单核处理器

  • 临界区有IO操作

  • 临界区代码复杂或者循环量大

  • 临界区竞争非常激烈

• 5. atomic用于保证属性setter、getter的原子性操作，相当于在getter和setter内部加了线程同步的锁，可以参考源码objc4的objc-accessors.mm，它并不能保证使用属性的过程是线程安全的

四、iOS中的读写安全方案

• 1. 当我们遇到“多读单写”的场景时，例如：同一时间，只能有1个线程“写” ，却可以有多个线程“读”，并且写和读不能同时进行，就需要使用“多读单写锁”了，在iOS中的实现方案有：

  • pthread_rwlock：读写锁

  • dispatch_barrier_async：异步栅栏调用

• 2. 读写锁拥有读状态加锁、写状态加锁、不加锁三种状态。只有一个线程可以占有写状态的锁，但可以多个线程同时占有读状态锁，这也是它可以实现高并发的原因。

  • 当其处于写状态锁下，任何想要尝试获得锁的线程都会被阻塞，直到写状态锁被释放；

  • 如果是处于读状态锁下，允许其它线程获得它的读状态锁，但是不允许获得它的写状态锁，当读写锁感知到有线程想要获得写状态锁时，便会阻塞其后所有想要获得读状态锁的线程。所以读写锁非常适合资源的读操作远多于写操作的情况。

• 3. 读写锁三个特征：

  • 多个读者可以同时进行读

  • 写者必须互斥，只允许一个写者写，也不能读者写者同时进行

  • 写者优先于读者，一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者

• 4. pthread_rwlock就属于读写锁，等待锁的线程会进入休眠状态，使用方法如下所示：
     pthread_rwlock
• 5. dispatch_barrier_async是异步栅栏调用，通过这个函数，也可以实现多读单写的功能，这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
  • 如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列，那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果

dispatch_barrier_async异步栅栏调用