多线程

2021-09-11  本文已影响0人  浅墨入画

线程和进程

线程
进程

进程中包含多个线程，进程负责任务的调度，线程负责任务的执行。在iOS中并不支持多进程，所有程序都是单一进程运行，进程之间相互独立。

线程与进程的关系

两者的使用特点：

  1. 一个进程崩溃后，在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。所以多进程要比多线程健壮；
  2. 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。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。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；
  4. 线程是处理器调度的基本单位，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；
线程局部存储TLS

线程局部存储全称：Thread Local Storage：线程是没有地址空间的，但是存在线程局部存储。线程局部存储是某些操作系统为线程单独提供的私有空间，但通常只具有有限的容量。
类的加载篇章中分析在objc源码中，_objc_init方法中包含了对tls的初始化操作，源码如下

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    // 线程绑定，例如线程数据的析构函数
    tls_init();
    static_init();
    runtime_init();
    exception_init();
#if __OBJC2__
    cache_t::init();
#endif
    _imp_implementationWithBlock_init();

    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);

#if __OBJC2__
    didCallDyldNotifyRegister = true;
#endif
}

//tls_init源码实现
void tls_init(void)
{
#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
    pthread_key_init_np(TLS_DIRECT_KEY, &_objc_pthread_destroyspecific);
#else
    _objc_pthread_key = tls_create(&_objc_pthread_destroyspecific);
#endif
}

多线程原理

iOS中多线程同时执行的本质是CPU在多个任务之间快速的切换，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。所以多线程并不是真正的并发，而真正的并发必须建立在多核CPU的基础上。

多线程意义
  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，如CPU、内存
  3. 线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁
  1. 开启线程需要占用一定的内存空间，默认情况下，每一个线程占用512KB
  2. 如果开启大量线程，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
时间片

时间片的概念:CPU在多个任务之间进行快速的切换，这个时间间隔就是时间片

多线程官方文档

image.png

以上四种方案的简单示例

// *********1: pthread*********
pthread_t threadId = NULL;
//c字符串
char *cString = "HelloCode";
/**
 pthread_create 创建线程
 参数：
 1. pthread_t：要创建线程的结构体指针，通常开发的时候，如果遇到 C 语言的结构体，类型后缀 `_t / Ref` 结尾
 同时不需要 `*`
 2. 线程的属性，nil(空对象 - OC 使用的) / NULL(空地址，0 C 使用的)
 3. 线程要执行的`函数地址`
 void *: 返回类型，表示指向任意对象的指针，和 OC 中的 id 类似
 (*): 函数名
 (void *): 参数类型，void *
 4. 传递给第三个参数(函数)的`参数`
 */
int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
if (result == 0) {
    NSLog(@"成功");
} else {
    NSLog(@"失败");
}
    
//*********2、NSThread*********
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadTest) toTarget:self withObject:nil];
    
//*********3、GCD*********
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self threadTest];
});
    
//*********4、NSOperation*********
[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
    [self threadTest];
}];

/**
 1. 循环的执行速度很快
 2. 栈区／常量区的内存操作也挺快
 3. 堆区的内存操作有点慢
 4. I(Input输入) / O(Output 输出) 操作的速度是最慢的！
 * 会严重的造成界面的卡顿，影响用户体验！
 * 多线程：开启一条线程，将耗时的操作放在新的线程中执行
 */
- (void)threadTest{
    NSLog(@"begin");
    NSInteger count = 1000 * 100;
    for (NSInteger i = 0; i < count; i++) {
        // 栈区
        NSInteger num = i;
        // 常量区
        NSString *name = @"zhang";
        // 堆区
        NSString *myName = [NSString stringWithFormat:@"%@ - %zd", name, num];
        NSLog(@"%@", myName);
    }
    NSLog(@"over");
}

void *pthreadTest(void *para){
    // 接 C 语言的字符串
    //    NSLog(@"===> %@ %s", [NSThread currentThread], para);
    // __bridge 将 C 语言的类型桥接到 OC 的类型
    NSString *name = (__bridge NSString *)(para);
    
    NSLog(@"===>%@ %@", [NSThread currentThread], name);
    
    return NULL;
}
C与OC的桥接

线程生命周期

线程的生命周期主要分为五部分：新建 - 就绪 - 运行 - 阻塞 - 死亡

线程生命周期
线程池原理
线程池原理

多线程面试题

任务执行速度的影响因素有哪些?

这个问题从四个角度分析：CPU的调度情况、任务的复杂度、任务的优先级、线程状态。
目前iOS中，线程优先级的threadPriority属性已经弃用，被NSQualityOfService类型的qualityOfService所代替，看先底层的枚举设置

typedef NS_ENUM(NSInteger, NSQualityOfService) {
    NSQualityOfServiceUserInteractive = 0x21,
    NSQualityOfServiceUserInitiated = 0x19,
    NSQualityOfServiceUtility = 0x11,
    NSQualityOfServiceBackground = 0x09,
    NSQualityOfServiceDefault = -1
} API_AVAILABLE(macos(10.10), ios(8.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

开发者自己指定：NSQualityOfService服务质量，用于表示工作的性质和对系统的重要性。当存在资源竞争时，使用高质量的服务类比使用低质量的服务类获得更多的资源

优先级反转
优先级的影响因素

自旋锁和互斥锁

当多个线程同时访问同一块资源时，很容易引发资源抢夺，造成数据错乱和数据安全问题，有以下两种解决方案：

例如多窗口卖票时，会产生资源的抢夺(如下图)。这时我们的常规操作就是加锁。

image.png
互斥锁

使用互斥锁的注意事项：

自旋锁
自旋锁与互斥锁
使用场景
atomic原子锁与nonatomic非原子锁的作用

atomic和nonatomic主要用于属性的修饰。

  1. 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
  2. 同一时间 单(线程)写多(线程)读的线程处理技术
  3. Mac开发中常用
iOS开发的建议
atomic与nonatomic的区别
  1. 非原子属性
  2. 非线程安全，适合内存小的移动设备
  1. 原子属性(线程安全)，针对多线程设计的，默认值
  2. 保证同一时间只有一个线程能够写入(但是同一个时间多个线程都可以取值)
  3. 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
  4. 线程安全，需要消耗大量的资源
objc4-818.2源码分析
void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}

static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }
    // atomic修饰，增加了spinlock_t的锁操作；
    // 所以atomic是标示，自身并不是锁。而atomic所谓的自旋锁，由底层代码实现。
    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }

    objc_release(oldValue);
}
线程与Runloop的关系
线程间通讯

Threading Programming Guide文档，线程间的通讯有以下几种方式

线程间通讯
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