OC之并发编程
1、什么是并发编程？
并发编程是指在一台处理器上“同时”处理多个任务。它的目标是充分的利用处理器的每一个核，以达到更高的处理性能。
2、并发处理 与 顺序处理
- 顺序处理：按照先后顺序处理逻辑控制流（即逐个处理）
- 并发处理：同时处理多个逻辑控制流
以顺序方式处理的控制流
以并发方式处理的控制流
并发处理相对于顺序处理的优势：
- 增加应用程序的吞吐量：应用程序的吞吐量是指在一段时间内应用程序能够完成的任务数；并发程序同时处理多个任务，会比顺序处理完成更多任务。
- 提高系统的利用率：以并发方式执行多个任务，可以更集中、更高效的利用系统资源。
- 提高应用程序的整体响应性：如果某个任务正在等待，使用并发模式，可以让其它任务继续进行，减少程序的整体闲置时间，提高程序的响应性。
- 更好的与问题领域契合：在处理某些问题时，可以将这些任务创建为同时处理的任务集合，以并发方式处理。
并发处理意味着同时执行多个任务。但实际上，利用并发机制的程序是否真的并发执行多个任务，取决于运行程序的计算机系统。这里引出了两条概念：并发计算（concurrent computing）与 并行计算（Parallel Computing）。
3、并发计算与 并行计算
- 并行：当系统有一个以上CPU时，则线程的操作有可能非并发。当一个CPU执行一个线程时，另一个CPU可以执行另一个线程，两个线程互不抢占CPU资源，可以同时进行。
- 并发：当有多个线程在操作时，如果系统只有一个CPU，则它不能同时进行一个以上的线程，它只能把CPU运行时间划分成若干个时间段，再将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程代码运行时，其它线程处于挂起状态。
从广义上来说：并发计算是软件层面的，与设计相关；并行计算是硬件层面的，与多核CPU相关。
- 并行计算 ：指计算机同时执行多个操作或任务。执行并行计算的能力直接取决于计算机硬件，如多核 CPU 同时执行多条指令
- 并发计算：指一个程序被设计同时执行多个操作或任务。如果程序使用并发编程设计并实现的，那么它就会根据计算机硬件的能力，以并发的方式运行。
要发挥并发处理的优势，必须以并发编程设计并实现程序，并在能够支持并行处理的硬件运行它。
4、实现并发处理
在了解了并发处理的优势后，我们要学会如何利用它。在计算机系统中，实现并发处理的方式有很多：
- 分布式计算：多个任务被分给多台网络相连的计算机执行，这些计算机通过消息传递来实现通信；
- 并行编程：由多核CPU和可编程GPU进行大量的并行计算；
- 多进程：多个任务被分给一台计算机的多个进程，每个进程都拥有由操作系统管理的独立资源和地址空间；
- 多线程：多个任务与多个线程对应，这些线程被配置为并发方式执行。这些线程是在单个进程的环境中执行的，它们共享地址空间和内存。
5、 CPU 与 GPU
上文提到 CPU 与 GPU ，那么什么是 CPU ？什么是 GPU ？CPU 与 GPU 的区别是什么？
- CPU 是中央处理器，所做的工作都在软件层面；
- GPU 是图形处理器，所做的工作都在硬件层面；
CPU 擅长处理具有复杂计算步骤和复杂数据依赖的计算任务，如分布式计算，数据压缩，人工智能，物理模拟，以及其他很多很多计算任务等。
区别： CUP 和 GPU 之所以大不相同，是由于其设计目的的不同，它们分别针对了两种不同的应用场景：
- CPU 需要很强的通用性来处理各种不同的类型数据，同时又要逻辑判断又会引入大量的分支跳转和中断处理。这些都使得CPU的内部结构异常复杂。
- GPU面对的则是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断纯净的计算环境。
6、进程 与 线程
进程与进程都是操作系统的基本概念：
- 进程：正在运行的、拥有独立地址空间和系统资源的计算机程序；是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础，主要管理资源。
- 线程：在某个进程环境中执行的逻辑控制流，它是可以独立执行的指令序列。线程也被称为轻量级进程，它是进程的基本执行单元，多个线程共享一个地址空间；
- 多线程：在同一时刻，一个 CPU 只能处理 1 条线程，但 CPU 可以在多条线程之间快速的切换，只要切换的足够快，就造成了多线程一同执行的假象。多线程通过提高资源使用率来提高系统总体的效率。但是也不要开启太多线程，当线程过多时，会消耗大量 CPU 资源，且每开一条线程本身也是有开销的（在iOS中，主线程站 1 MB 的内存空间，子线程占用 512 KB，可以使用
stackSize设置线程占用空间，最小是 16 KB，线程创建时间是 90 ms），可能导致卡顿问题。 - 协程：一串比函数粒度还要小的可手动控制的过程；并不是 线程，不会参与 CPU 时间调度，并没有均衡分配到时间。
进程可能包含多个线程，这些线程可以按顺序执行、以并发方式执行，或者混合使用这两种方式执行。
在 Objective-C 语言中，使用 NSTask 与NSThread 管理进程与线程。
6.1、NSTask 创建并管理进程
使用NSTask 可以在 Objective-C 运行时系统中创建并管理进程，NSTask 作为独立进程进行操作，不与其它进程共享内存，包括创建它的进程。一个NSTask 对象只能运行一次，而且其环境需要在它运行以前配置好。
NSTask *task = [[NSTask alloc] init];//使用 init 初始化一个 task
[task setLaunchPath:@"/Users/longlong/Library/Developer/CoreSimulator/Devices/DD8DCEB3-16B7-412A-9F9E-0315A427A638/data/Containers/Bundle/Application/2CDEA0BD-BCB1-40A9-957A-EDE732AE1072/Demo.app/Demo"];//设置启动的程序目录
[task setArguments:@[@"/Users/longlong/Library/Developer/CoreSimulator/Devices/DD8DCEB3-16B7-412A-9F9E-0315A427A638/data/Containers/Bundle/Application/2CDEA0BD-BCB1-40A9-957A-EDE732AE1072/Demo.app/Demo"]];//设置启动需要的参数
[task launch];//启动该进程
NSLog(@"isRunning == %d",[task isRunning]);//使用 isRunning 查询 task 的状态
6.2、NSThread 创建并管理线程
线程是一种操作系统机制，用以并行方式执行多个指令序列。同一个进程中的线程可以共享计算机的内存和其他资源。
使用NSThread 可以创建和控制线程：
NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(startChildThread) object:nil];
thread.stackSize = 16;//设置线程占用空间，最小是 16 KB，
thread.name = @"demo.thread2";//设置线程名字
thread.threadPriority = 1.0;//设置线程优先级
[thread start];//开启线程
7、并发处理带来的困难：
虽然并发处理有如此多优点，但要正确实现它并不容易，它主要有以下几个难点：
- 共享信息：在控制不同线程中的相关操作时需要实现同步，而在线程之间进行通信就必须实现信息共享；
- 因为要同时执行多个线程，所以整个程序的执行顺序是不确定的，使用不同的执行顺序执行同一程序得到不同的结果，这会导致并发程序中的bug 难以检测和修复。
我们可以使用共享内存与消息传递 来处理上述问题。共享内存编程模式会实现共享状态，多个线程都可以访问某些数据。
8、共享内存 与 消息传递
8.1、共享内存
共享内存模式需要一种机制来协调多个线程共用的数据，通常使用同步机制来实现这一目标，如 锁或者判定条件。
- 锁：是一种控制多线程间数据同步访问和资源共享的一种机制。
- 条件：它使线程一直处于等待状态直到指定条件出现，条件变量通常用锁来实现。
锁实施是一种互斥策略，避免受保护的数据和资源被多个线程同时访问。使用锁协调对共享数据的访问时，很有可能引发死锁、活锁、资源匮乏等问题，这些问题导致程序中断：
- 死锁：指两个或多个线程互相阻塞的情况，每个线程都等待其他线程释放锁，导致所有线程都处于等待状态。典型的例子就是循环等待；
- 活锁：指一个线程因为要回应其它线程，而导致自身无法执行的情况。活锁的线程没有被阻塞，它将所有的计算时间用于回应其它线程，以恢复正常的操作。
- 资源匮乏：指线程无法正常访问共享资源的情况，通常是共享资源被其它线程占用。当一个或多个线程占用共享资源的时间过长，就会引发这种问题。活锁也是资源匮乏的一种形式。
8.2、消息传递
线程能够通过交换消息进行同步和通信，消息传递避免了互斥问题，并与多核、多处理器系统契合。使用消息传递既可以执行同步通信，也可以执行异步通信。在进行同步消息传递时，发送者和接收者会直接连接；消息传递操作完成后，发送者和接收者会断开连接。异步消息传递通过队列传输消息，如图所示：
使用队列传递消息
消息不是在队列之间直接传递，而是通过 消息队列 进行交换。因此，发送者和接收者并不会配对，发送者将消息发给队列后也无需断开连接。使用异步消息传递可以实现并发编程。
框架Foundation 中的NSObject 含有许多方法，这些方法使用消息传递模式，通过线程调用对象的方法。该线程可以是主线程，也可以是分线程
@interface NSObject (NSThreadPerformAdditions)
//waitUntilDone: 参数设置了同步/异步操作
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(nullable NSArray<NSString *> *)array;
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
// equivalent to the first method with kCFRunLoopCommonModes
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(nullable NSArray<NSString *> *)array API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
// equivalent to the first method with kCFRunLoopCommonModes
- (void)performSelectorInBackground:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg API_AVAILABLE(macos(10.5), ios(2.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
@end
上述方法，参数 waitUntilDone: 设置了同步YES/异步NO操作。
9、运行循环RunLoop
RunLoop 是一种基于线程的机制，用于调度任务和协调收到的输入事件。如果程序的线程需要回应入栈事件，就必须将之附到运行循环中，以在新事件出现时唤醒该线程。
10、在 Objective-C 中实现并发编程
在Objective-C中实现并发编程有以下几种方式：
- 线程 NSThread
- 操作队列 NSOperationQueue：基于Objective-C的消息传递机制，通过亦不涉及方法实现并发编程；
- 分派队列 GCD：基于 C 语言的一系列语言特性和运行时服务，用于通过异步和并发执行任务；
参考文章：
并发编程：API 及挑战
iOS 渲染原理解析
iOS离屏渲染的深入研究
协程
