[iOS] 多线程基本概念

1.进程&线程

1.1 定义

进程

• 进程是系统中正在运行的一个程序(当一个程序进入内存运行时，即成为了一个进程。比如在 iOS 中，一个APP 的启动就是开启一个进程)；
• 进程之间是独立的，每个进程都有自己独立的地址空间。

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，必须有线程；
• 程序启动会默认开启一条线程，这条线程被称为主线程或者UI 线程。

1.2 关系

进程和线程之间的关系主要涉及下面两个方面：

• 地址空间
  同一个进程的所有线程共享进程的地址空间，而进程和进程之间则是独立的。

• 资源
  同一个进程内的线程共享本进程的资源，而进程之间相互独立。

还有其他一些方面有所不同：

• 健壮性
  一个进程崩溃后，不会影响其他进程，但进程中只要有一个线程崩溃，则整个进程崩溃

• 使用场景
  进程切换时，消耗的资源大，效率高，但是如果频繁的切换时，使用线程比较合适

• 执行过程
  每个进程都有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口，但是线程必须依存于程序中

• 线程是处理器调度的基本单位，进程不是

1.3 线程和 RunLoop 的关系

关于 RunLoop 的部分，之后会详细介绍，主要有以下几点：

• 线程和 RunLoop 是一一对应的，一个 RunLoop 对应一个核心的线程，RunLoop 是可以嵌套的，但是核心的只有一个，它们以key-value的形式存在一个全局的字典里
• 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，有了任务就会被唤醒去执行任务
• RunLoop 会在第一次获取时创建，线程结束时同时被销毁
• 主线程的 RunLoop 在程序启动时就创建了，子线程的 RunLoop 是在获取时才会创建

2. 多线程

2.1 原理

对于单核 CPU，同一时间CPU 只能处理一条线程，即只有一条线程在工作，所以多线程的本质就是 CPU 在不同的任务中快速切换，由于 CPU 调度线程的时间足够快，就造成了多条线程”同时“执行的效果。

多线程的意义在于能适当提高程序的执行效率，提高资源的利用率。
但是线程的开辟需要占用一定的内存空间，默认情况下，一个线程占用512KB，所以如果开启大量线程，会占用内存空间，降低程序的性能，而且多线程程序也会更复杂，比如线程通信，数据共享。

2.2 多线程生命周期

主要分为 5 个部分：新建 - 就绪 - 运行 - 阻塞 - 死亡，如下图所示：

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• 新建：实例化线程对象
• 就绪：线程对象调用 start 方法，将线程对象加入可调度线程池，等待 CPU 的调用，也就是调用 start 方法，并不是调用，只是进入了就绪状态，等待一段时间后，CPU 调用它时才会从就绪状态变成运行状态
• 运行：CPU 负责调度可调度线程池中线程的执行，在线程执行完之前，其状态可能会在就绪和运行之间来回切换，这个是由 CPU 负责的
• 阻塞：比如调用 sleep，或者加锁时，会阻塞当前线程，将线程从可调度线程池中移出
• 死亡：
  线程执行完毕，正常死亡；
  调用 exit退出，非正常死亡。

简单来说，运行中的线程拥有一段可以执行的时间(时间片)：

• 如果时间片用尽，线程就会进入就绪状态
• 如果时间片没有用尽，且需要开始等待某事件，就会进入阻塞状态队列
• 等待事件发生后，线程又会重新进入就绪状态队列
• 每当一个线程离开运行，即执行完毕或者强制退出后，CPU会重新从就绪状态队列中选择一个线程继续执行

线程的exit 和cancel 方法：
exit 会强行终止线程，后续的代码不会执行
cancel取消当前线程，但是正在执行的线程，会一直执行到结束

CPU 是根据线程的优先级来调度的，但并不是说线程的优先级越高，就意味着任务的执行越快，而是说优先级高的线程有更大的可能会被 CPU 调度。

线程执行的快慢，除了要看优先级，还需要看资源的大小，即任务复杂度以及 CPU 调度情况。

2.3 线程池

线程池是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。线程池维护着多个线程，等待 CPU 调度，主要是为了节省短时间任务的线程创建和销毁的代价，可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存等，例如，线程数一般取CPU 的数量 + 2 比较合适，线程数过多则会导致额外的线程切换开销。

image.png

上面提到的饱和策略，主要有以下四种(在 iOS 中并没有找到以下 4 种策略)：

• AbortPolicy：直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行
• CallerRunsPolicy：将任务回退到调用者
• DisOldestPolicy：丢掉等待最久的任务
• DisCardPolicy：直接丢弃任务

2.4 并发和并行

• 并发
  在同一时间段内，两个或多个程序执行，有时间上的重叠(宏观上是同时，微观上仍是顺序执行)，在任一时刻点上，只有一个程序在处理机上运行
• 并行
  系统有一个以上 CPU 时，则线程的操作有可能非并发，两个 CPU 分别执行不同的线程，互不抢占 CPU 资源，可以同时进行

注意：并发是指多个事件在同一时间间隔内发生；并行是指多个事件在同一时刻同时发生。

3. iOS 中的多线程实现方案

主要由 4 中，如图：

image.png

4. 线程安全

当多个线程同时访问一块资源时，容易引发数据错乱和数据安全问题，有以下两种解决方案：

• 互斥锁（即同步锁）：@synchronized
  确保同一时间，只有一条线程能执行；
  加了互斥锁的代码，当新线程访问时，如果发现其他线程正在执行锁定的代码，新线程就会进入休眠 ；
  互斥锁的锁定范围，应该尽量小，锁定范围越大，效率越差。

• 自旋锁
  自旋锁与互斥锁类似，但它不是通过休眠使线程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（即原地打转，称为自旋）阻塞状态；
  锁持有的时间短，且线程不希望在重新调度上花太多成本时，就需要使用自旋锁，属性修饰符atomic，本身就有一把自旋锁；
  加了自旋锁，当新线程访问代码时，如果发现有其他线程正在锁定代码，新线程会用死循环的方法，一直等待锁定的代码执行完成，即不停的尝试执行代码，比较消耗性能。

5. 线程间通讯

线程间通讯

• 直接消息传递：通过performSelector 的一系列方法，可以实现由某一线程指定在另外的线程上执行任务。因为任务的执行上下文是目标线程，这种方式发送的消息将会自动的被序列化

• 全局变量、共享内存块和对象：必须使用锁或其他同步机制仔细保护共享变量，以确保代码的正确性

• 条件执行：条件是一种同步工具，可用于控制线程何时执行代码的特定部分。您可以将条件视为关守，让线程仅在满足指定条件时运行。

• Runloop sources：一个自定义的Runloop source 配置可以让一个线程上收到特定的应用程序消息。由于 Runloop source 是事件驱动的，因此在无事可做时，线程会自动进入睡眠状态，从而提高了线程的效率

• Ports and sockets：基于端口的通信是在两个线程之间进行通信的一种更为复杂的方法，但它也是一种非常可靠的技术。更重要的是，端口和套接字可用于与外部实体（例如其他进程和服务）进行通信。为了提高效率，使用 Runloop source 来实现端口，因此当端口上没有数据等待时，线程将进入睡眠状态。需要注意的是，端口通讯需要将端口加入到主线程的Runloop中，否则不会走到端口回调方法

• 消息队列：传统的多处理服务定义了先进先出（FIFO）队列抽象，用于管理传入和传出数据。尽管消息队列既简单又方便，但是它们不如其他一些通信技术高效

• Cocoa 分布式对象：分布式对象是一种 Cocoa 技术，可提供基于端口的通信的高级实现。尽管可以将这种技术用于线程间通信，但是强烈建议不要这样做，因为它会产生大量开销。分布式对象更适合与其他进程进行通信，尽管在这些进程之间进行事务的开销也很高