多线程相关知识点

作者: huoshe2019 | 来源:发表于2019-10-08 10:59 被阅读0次

图1 知识结构

一、知识结构分析

整体知识架构
备注：
从上到下，更加面向对象，也就更容易使用。

多线程之间的关系

pthread是POSIX线程的API
NSThread是Cocoa对pthread的封装
GCD和NSOperationQueue是基于队列的并发API
GCD是基于pthread和queue实现的
NSOperationQueue是对GCD的高级封装
GCD
NSOperation
AFNetWorking + SDWebImage框架多有使用

问题1：AFNetWorking为什么使用NSOperation，为什么不使用GCD？

解释：
此道题目也可以理解为NSOperation比GCD的有点。
1、NSOperation是基于GCD更高一层的封装，完全面向对象；比GCD更加简单易用，代码可读性高。
2、 FIFO队列，而NSOperationQueue中的队列可以被重新设置优先级，从而实现不同操作的执行顺序调整。CGD不具备
3、添加操作之间的依赖关系，方便的控制执行顺序；GCD不具备。
4、可以很方便的取消一个操作的执行；CGD不具备。
5、使用 KVO 观察对操作执行状态的更改；CGD不具备。

NSThread
用于实现一个常驻线程

问题2：常驻线程有什么作用？

解释：
通常情况下，创建子线程，在里面执行任务，任务完成后，子线程会立刻销毁；如果需要经常子线程中操作任务，那么频繁的创建和销毁子线程会造成资源的浪费。
所以需要常驻线程。

多线程和锁
线程同步和资源共享

二、GCD

主要结构如下：

同步/异步、串行/并发
dispatch_barrier_async
dispatch_group

2.1、同步/异步、串行/并发

dispatch_sync(serial_queue，^{ //任务 })；
dispatch_async(serial_queue，^{ //任务 })；
dispatch_sync(concurrent_queue，^{ //任务 })
dispatch_async(concurrent_queue，^{ //任务 })

2.1.1、同步串行

问题3：主队列同步

图2 主队列同步

解释：
是队列引起的循环等待，不是线程引起的循环等待。
详细解释如下：

图3 同步串行
1、ios中默认会有一个主队列、主线程。
2、主队列是一个串行队列。
3、viewDidLoad在主队列中，可以看成一个任务1。
4、Block相当于在主队列添加任务2。
5、viewDidLoad在主线程运行。
6、dispatch_sync说明任务2也在主线程运行。
7、任务1完成后才能执行任务2。
但是任务1还没有完成，就开始执行任务2，任务2有依赖任务1的完成，任务1依赖任务2的完成，造成死锁。

问题4：主队列异步

没有问题

解释：
虽然没有问题，但是主队列提交的任务，无论通过同步/异步方式，都要在主线程进行处理！！！

问题5：串行队列同步

图4 串行队列同步

解释：
不会有问题。
详细解释如下：

图3 串行队列

1、iOS默认会有一个主队列、主线程。
2、主队列是一个串行队列。
3、viewDidLoad在主队列中，可以看成一个任务1。
4、Block是在另一个串行队列中，可以看成任务2。
5、viewDidLoad在主线程运行。
6、dispatch_sync说明任务2也在主线程运行。
7、因为二者不是在同一个队列，不会存在死锁，但是任务2会延迟任务1执行。

2.2.2、同步并发

问题6：下面代码输出结果是：

图4 同步并发

解释
1、iOS默认会有一个主队列、主线程。
2、主队列是一个串行队列。
3、viewDidLoad在主队列中，可以看成一个任务1。
4、global_queue是全局并发队列，里面有任务2和任务3
5、viewDidLoad在主线程运行。
6、dispatch_sync说明global_queue中的任务也在主线程运行(会阻断线程，强制执行自己的)。
7、因为global_queue和主线程队列不是同一个队列，不会造成死锁。
8、因为global_queue是全局并发队列，一个任务不用管前面的任务是否执行完毕。所以任务2未完成时，可以执行任务3，然后执行任务2，都是在主线程执行。

2.2.3、异步串行

图5 异步串行

这段代码是经常使用的
代码分析：
1、ios中默认会有一个主队列、主线程。
2、主队列是一个串行队列。
3、viewDidLoad在主队列中，可以看成一个任务1。
4、Block相当于在主队列添加任务2。
5、viewDidLoad在主线程运行。
6、dispatch_async说明任务2在子线程运行，也就是不会阻挡任务1的运行。
7、任务1完成后才能执行任务2。
因为任务1在子线程运行，不会阻挡任务2，所以正常使用。

2.2.4、异步并发

问题7：以下代码输出结果：

图6 异步并发

解释
1、global_queue是全局队列，采用dispatch_async，所以会开辟一个子线程。
2、子线程的runLoop默认是不开启的，而performSelector:withObject:afterDelay是在没有runloop的情况下会失效，所以此方法不执行。
3、打印结果13。

2.3、dispatch_barrier_async()

2.3.1、场景

问题8：怎样利用CGD实现多读单写？

利用CGD提供的栅栏函数
解析：

多读单写模型

读者、读者并发
读者、写者互斥
写者、写者互斥

可以理解为：
1、读处理之间是并发的，肯定要用并发队列。
因为读取操作，往往需要立刻返回结果，故采用同步。
这些读处理允许在多个子线程。
2、写处理时候，其余操作都不能执行。利用栅栏函数，异步操作。利用栅栏函数异步操作的原因：栅栏函数同步操作会阻塞当前线程，如果当前线程还有其它操作，则会影响用户体验。

核心代码如下：

@interface UserCenter()
{
    // 定义一个并发队列
    dispatch_queue_t concurrent_queue;
    
    // 用户数据中心, 可能多个线程需要数据访问
    NSMutableDictionary *userCenterDic;
}

@end

// 多读单写模型
@implementation UserCenter

- (id)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        // 通过宏定义 DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT 创建一个并发队列
        concurrent_queue = dispatch_queue_create("read_write_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
        // 创建数据容器
        userCenterDic = [NSMutableDictionary dictionary];
    }
    
    return self;
}

- (id)objectForKey:(NSString *)key
{
    __block id obj;
    // 同步读取指定数据
    dispatch_sync(concurrent_queue, ^{
        obj = [userCenterDic objectForKey:key];
    });
    return obj;
}

- (void)setObject:(id)obj forKey:(NSString *)key
{
    // 异步栅栏调用设置数据
    dispatch_barrier_async(concurrent_queue, ^{
        [userCenterDic setObject:obj forKey:key];
    });
}

2.3.2、dispatch_barrier_sync和dispatch_barrier_async区别

共同点：

它们前面的任务先执行完。
它们的任务执行完，再执行后面的任务。

不同点：

dispatch_barrier_sync会阻止当前线程，等它的任务执行完毕，才能往下进行。
dispatch_barrier_async不会阻塞当前线程，允许其它非当前队列的任务继续执行。

注意：
使用栅栏函数时，使用自定义队列才有意义，如果使用串行队列/系统的全局并发队列，这个栅栏函数就相当于一个同步函数

2.3、dispatch_group

问题9：使用CGD实现这个需求：A、B、C三个任务并发，完成后执行任务D。

 // 创建一个group
 dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
 // 异步组分派到并发队列当中
  dispatch_group_async(group, concurrent_queue, ^{
  });
  //监听  
  dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
      // 当添加到组中的所有任务执行完成之后会调用该Block
 });

三、NSOperation

3.1、NSOperation优点

添加任务依赖
任务执行状态控制
最大并发量(maxConcurrentOperationCount)

问题10：我们可以控制任务的哪些状态？

isReady
当前任务是否处于就绪状态
isExecuting
当前任务是否正在执行
isFinished
当前任务是否执行完成
isCancelled
当前任务是否被标记为取消(不是判断是否被取消，是标记)
是通过KVO进行控制的。

3.2、状态控制

问题11：我们怎么控制NSOperation的状态

如果只重写了main方法，底层控制任务执行状态以及任务退出。
如果重写了start方法，自行控制任务状态。

问题12：系统是怎样移除一个isFinished=YES的NSOperation的？

通过KVO

小结：
NSOperation： 主队列默认在主线程执行，自定义队列默认在后台执行(会开辟子线程)。

四、NSThread

4.1、启动流程

启动流程

1、调用start()方法、启动线程。
2、在start()内部会创建一个pthread线程，指定pthread线程的启动函数。
3、在启动函数中会调用NSThread定义的main()函数。
4、在main()函数中会调用performSelector:函数，来执行我们创建的函数。
5、指定函数运行完成，会调用exit()函数，退出线程。

4.2、常驻线程

参考RunLoop

五、多线程与锁

问题13：iOS中都有哪些锁，你是怎样使用的？

解释：

5.1、@synchronized(互斥锁) 🌟🌟🌟

一般在创建单例对象的时候使用，保证在多线程环境下，创建的单例对象是唯一的。

5.2、 atomic(自旋锁)🌟🌟🌟

属性关键字
对被修饰对象进行原子操作(不负责使用)
备注：

原子操作：不会被线程调度打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会切换到另一个线程。

不负责使用：属性赋值时候，能够保证线程安全；对属性进行操作，不能保证线程安全。
例如：
@property (atomic) NSMutableArray *array;
self.array = [NSMutableArray array];//线程安全
[self.array addObject:obj];//线程不安全

5.3、 OSSpinLock(自旋锁)

循环等待访问，不释放当前资源。
用于轻量级数据访问，简单的int值 +1/-1操作。
使用场景：
- 内存引用计数加1或减1
- runtime也有使用到。

5.4、 NSLock(互斥锁)

蚂蚁金服面试题：

NSLock面试题
解释：
对同一把锁两次调用，由于重入的原因会造成死锁；解决办法就是使用递归锁(可以重入)。

5.5、 NSRecursiveLock(递归锁)(互斥锁)

NSRecursiveLock锁

5.6、 dispatch_semaphore_t(信号量)🌟🌟🌟

dispatch_semaphore_create(5)
创建信号量，指定最大并发数
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER)
等待信号量>=1。
如果当前信号量>=1，信号量减1，程序继续执行。
如果信号量<=0，原地等待，不允许程序往下执行。
dispatch_semaphore_signal(semaphore)
程序执行完毕，发送信号，释放资源，信号量加1。

5.6.1、dispatch_semaphore_create

dispatch_semaphore_create

5.6.2、dispatch_semaphore_wait

dispatch_semaphore_wait

5.6.3、dispatch_semaphore_signal

dispatch_semaphore_signal

小结：
1、锁分为互斥锁、自旋锁
2、互斥锁和自旋锁的区别
自旋锁： 忙等待。即在访问被锁资源时，调用者线程不会休眠，而是不停循环在那里，直到被锁资源释放
互斥锁： 会休眠。即在访问被锁资源时，调用者线程会休眠，此时cpu可以调度其它线程工作，直到被锁资源释放，此时会唤醒休眠线程。

问题14：iOS系统为我们提供了几种多线程技术？各自有什么特点？

解释：

GCD
用于一些简单的线程同步，包括子线程分派；还有就是解决类似于多读单写功能。
NSOperation及NSOperationQueue
可以方便控制任务状态、添加依赖/移除依赖；多用于复杂线程控制：AFNetWorking和SDWebImage。
NSThread
往往用于实现一个常驻线程。

总结：

概念理解

队列概念
队列是任务的容器
串行队列、并发队列区别
串行队列： 一次仅仅调度一个任务，队列中的任务一个个执行。(一个任务完成后，再运行下一个任务)。
遵循FIFO原则：先进先出、后进后出。

并发队列：不需要把一个任务完成后，再运行下一个任务。
仍然遵循FIFO原则，只是不需要等待任务完成。
并行、并发区别
并行：同一时刻，多条指令在多个处理器同时执行。
并发：同一个时刻，只能处理一条指令，但是多个指令被快速的轮换执行，达到了具有同时执行的效果。
异步、同步区别
异步： 可以开启新的线程。
同步： 不可以开启新的线程，在当前线程运行。

同步异步、串行并行形象理解

这两对概念单独看起来，明白怎么回事；但是，一旦运用起来，总是不能得心应手。总的来说，就是不能将概念熟记于心，缺乏形象概念。

下面采用图解 + 文字进行表述：

串行队列图解

并行队列图解

一个队列(串行+并发)好比一个容器。
执行代码好比一个个任务。
同步异步好比任务的标签。
容器里面装有好多个打有标签的任务。
线程好比流水线的传送带，
所有的工作都是CPU在做，姑且将CPU比做操作工。

代码运行的时候，大家想象工厂的流水线的工作场景：
1、从容器(队列)中取出任务(执行代码)，放到传送带上。
如果容器是串行队列，则完成一个，取出一个。
如果容器是并发队列，则一直不停的投放。
2、任务(执行代码)放到传送带(线程)的一刹那，CPU(操作工)看了一眼上面的标签：如果标签是同步，就将它放到当前传送带；如果标签是异步，就新增加一条传送带，然后把任务放上去(理解操作工无所不能，可以随意增加传送带)。

上面只是一个形象的比喻，加深对多线程理解。

小结：
从上面的分析可知：
1、串行队列任务之间相互包含，容易造成死锁；并发队列则不会。这种死锁称为队列死锁。
2、并发队列+异步，才会有多线程效果。
如果只有当前一个线程可以利用，并发队列中任务虽然可以快速取出分派，奈何只有一个线程(主干道)，只能一个个排队执行。

多线程相关知识点

一、知识结构分析

问题1：AFNetWorking为什么使用NSOperation，为什么不使用GCD？

问题2：常驻线程有什么作用？

二、GCD

2.1、同步/异步、串行/并发

2.1.1、同步串行

问题3：主队列同步

问题4：主队列异步

问题5：串行队列同步

2.2.2、同步并发

问题6：下面代码输出结果是：

2.2.3、异步串行

2.2.4、异步并发

问题7：以下代码输出结果：

2.3、dispatch_barrier_async()

2.3.1、场景

问题8：怎样利用CGD实现多读单写？

2.3.2、dispatch_barrier_sync和dispatch_barrier_async区别

2.3、dispatch_group

问题9：使用CGD实现这个需求：A、B、C三个任务并发，完成后执行任务D。

三、NSOperation

3.1、NSOperation优点

问题10：我们可以控制任务的哪些状态？

3.2、状态控制

问题11：我们怎么控制NSOperation的状态

问题12：系统是怎样移除一个isFinished=YES的NSOperation的？

四、NSThread

4.1、启动流程

4.2、常驻线程

五、多线程与锁

问题13：iOS中都有哪些锁，你是怎样使用的？

5.1、@synchronized(互斥锁) 🌟🌟🌟

5.2、 atomic(自旋锁)🌟🌟🌟

5.3、 OSSpinLock(自旋锁)

5.4、 NSLock(互斥锁)

5.5、 NSRecursiveLock(递归锁)(互斥锁)

5.6、 dispatch_semaphore_t(信号量)🌟🌟🌟

5.6.1、dispatch_semaphore_create

5.6.2、dispatch_semaphore_wait

5.6.3、dispatch_semaphore_signal

问题14：iOS系统为我们提供了几种多线程技术？各自有什么特点？

总结：

概念理解

同步异步、串行并行形象理解

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