OS X 和iOS 中的多线程技术（上）

本文梳理了OS X 和iOS 系统中提供的多线程技术。并且对这些技术的使用给出了一些实用的建议。

多线程的目的：通过并发执行提高 CPU 的使用效率，进而提供程序运行效率。

1.线程和进程

进程

• 什么是进程

  • 进程是指在计算机系统中正在运行的一个应用程序
  • 每个进程之间是独立的，每个进程均运行中其专用且受保护的内存空间内

• 比如同时打开 Xcode 、Safari ,系统就会分别启动两个进程

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• 通过活动监视器可以查看Mac系统中所开启的进程

线程

• 什么是线程
  • 一个进程要想执行任务，必须得有线程（每个线程至少有一条线程，即主线程）
  • 一个进程的所有任务都做线程中执行
• 比如使用酷狗播放音乐、使用迅雷下载电影，都需要在线程中执行

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线程的执行方式

• 一个线程中的任务的执行是串行的
  • 如果要在一个线程中执行多个任务，那么只能一个一个地按顺序执行这些任务
  • 同一时间内，一个线程只能执行一个任务
• 线程是进程中的一条执行路径，它内部任务是串行执行的

多线程

• 什么是多线程
  • 一个进程中可以开启多条线程，每条线程可以并行（同时）执行不同的任务
  • 进程好比车间，线程好比车间工人
  • 多线程技术可以提高程序的执行效率
• 如同时开启3条线程分别下载3个文件

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• 多线程的原理
  • 同一时间，CPU只能处理1条线程，只有1条线程在工作（执行）
  • 多线程并发（同时）执行，其实是CPU快速地在多条线程之间调度（切换）
  • 如果CPU调度线程的时间足够快，就造成了多线程并发执行的假象

思考：如果线程非常非常多，会发生什么情况？

CPU会在N多线程之间调度，CPU会累死，消耗大量的CPU资源
每条线程被调度执行的频次会降低（线程的执行效率降低）

多线程的优缺点

• 多线程的优点

  • 能适当提高程序的执行效率
  • 能适当提高资源利用率（CPU、内存利用率）

• 多线程的缺点

  • 创建线程是有开销的，iOS下主要成本包括：内核数据结构（大约1KB）、栈空间（子线程512KB、主线程1MB，也可以使用-setStackSize:设置，但必须是4K的倍数，而且最小是16K），创建线程大约需要90毫秒的创建时间
  • 如果开启大量的线程，会降低程序的性能
  • 线程越多，CPU在调度线程上的开销就越大
  • 程序设计更加复杂：比如线程之间的通信、多线程的数据共享

2 多线程在iOS开发中的应用

• 什么是主线程

  • 一个iOS程序运行后，默认会开启1条线程，称为“主线程”或“UI线程”

• 主线程的主要作用

  • 显示\刷新UI界面
  • 处理UI事件（比如点击事件、滚动事件、拖拽事件等）

• 主线程的使用注意

  • 别将比较耗时的操作放到主线程中
  • 耗时操作会卡住主线程，严重影响UI的流畅度，给用户一种“卡”的坏体验

iOS中多线程的实现方案

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3. pthread 创建线程的简单使用

#import <pthread.h>  // 引入对应头文件

// 子线程调用的方法
void * run(void *param)
{
    for (NSInteger i = 0; i<50000; i++) {
        NSLog(@"------buttonClick---%zd--%@", i, [NSThread currentThread]);
    }
    return NULL;
}

// 使用pthread 创建子线程并执行
- (IBAction)buttonClick:(id)sender {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, run, NULL);
    
    pthread_t thread2;
    pthread_create(&thread2, NULL, run, NULL);
}

4 NSThread

4.1 一个NSThread对象就代表一条线程

• 创建、启动线程

NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
[thread start];

• 主线程相关用法

+ (NSThread *)mainThread; // 获得主线程
- (BOOL)isMainThread; // 是否为主线程
+ (BOOL)isMainThread; // 是否为主线程

• 获得当前线程

NSThread *current = [NSThread currentThread];

• 线程的名字

- (void)setName:(NSString *)name;
- (NSString *)name;

4.2 其他创建线程的方式

• 创建线程后自动启动线程

[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];

• 隐式创建并启动线程

[self performSelectorInBackground:@selector(run) withObject:nil];

上述2种创建线程方式的优缺点

• 优点：简单快捷
• 缺点：无法对线程进行更详细的设置

4.3 线程的状态

当一个线程被创建之后一共有 新建、就绪、运行、阻塞、死亡等几种状态。

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当系统新创建一个子线程会将该线程放入到可调度线程池中，此时处于就绪状态，当系统调度它执行任务的时候，它就处于一个运行状态，如果该线程代用了sleep或加锁之后，他就处于线程阻塞状态，此时线程会被移出可调度线程池，当sleep到时或者得到同步锁，线程又会解除阻塞状态回到就绪状态。当线程执行完任务之后被系统退出或者发生异常退出，就进入死亡状态。进入死亡状态就不能再次开启任务

• 启动线程

(void)start; 
// 进入就绪状态 -> 运行状态。当线程任务执行完毕，自动进入死亡状态

• 阻塞（暂停）线程

+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;
+ // 进入阻塞状态

• 强制停止线程

+ (void)exit;
// 进入死亡状态

5 多线程的安全隐患

• 资源共享

  • 1块资源可能会被多个线程共享，也就是多个线程可能会访问同一块资源
  • 比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件

• 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

安全隐患实例 -- 存取钱 && 卖票

同一个账户，多线程同时操作

Snip20170619_5.png Snip20170619_7.png

如图，多个线程同时操作一个数据，导致 A 线程读到数据尚未修改完成之前，另一个线程 B 也同时读到了数据，当 B 要修改的时候，A 已经把原来的数据修改了，B 修改的数据依旧是之前的数据。这样就导致了多线程操作同一个数据的数据混乱。

安全隐患分析图示如下

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安全隐患的解决

解决多线程的安全隐患，就加一个互斥锁，当一个线程访问并操作数据的时候，锁住对应数据，防止其他线程访问，当该线程访问数据并操作完，放开互斥锁，其他线程再进行访问。

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• 互斥锁使用格式

@synchronized(锁对象) { // 需要锁定的代码  }

注意：锁定1份代码只用1把锁，用多把锁是无效的

• 互斥锁的优缺点

  • 优点：能有效防止因多线程抢夺资源造成的数据安全问题
  • 缺点：需要消耗大量的CPU资源

• 互斥锁的使用前提：多条线程抢夺同一块资源

• 相关专业术语：线程同步
  线程同步的意思是：多条线程在同一条线上执行（按顺序地执行任务）
  互斥锁，就是使用了线程同步技术

6 原子和非原子属性

• OC在定义属性时有nonatomic和atomic两种选择

  • atomic：原子属性，为setter方法加锁（默认就是atomic）
  • nonatomic：非原子属性，不会为setter方法加锁

• nonatomic和atomic对比

  • atomic：线程安全，需要消耗大量的资源
  • nonatomic：非线程安全，适合内存小的移动设备

iOS开发的建议

• 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

7 线程间通信

• 什么叫做线程间通信
  在1个进程中，线程往往不是孤立存在的，多个线程之间需要经常进行通信

• 线程间通信的体现
  1个线程传递数据给另1个线程
  在1个线程中执行完特定任务后，转到另1个线程继续执行任务

• 线程间通信常用方法

- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;

• 线程间通信实例-图片下载

主线程需要展示图片，图片下载比较耗时，就放到子线程去操作。当子线程图片下载完成后，回到主线程进行图片赋值并展示。

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小结

本篇文章主要讲解了多线程的一些基础知识和 pthread 和 NSTread 两种多线程方案。接下来会在下一篇文章中介绍 GCD 和 NSOpreation 的使用。