进程、线程、任务、队列

作者: 小白PK大牛 | 来源:发表于2020-03-15 18:11 被阅读0次

一、进程

1.进程是操作系统分配资源的基本单元,是一个具有一定独立功能的程序关于某次数据集合的一次运行活动.
2.进程是指在系统中正在运行的一个应用程序，就是一段程序的执行过程,我们可以理解为手机上的一个app.
3.每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用且受保护的内存空间内，拥有独立运行所需的全部资源

二、线程

1.线程是程序执行流的最小单元，是进程中的一个实体.
2.一个进程要想执行任务,必须至少有一条线程，应用程序启动的时候，系统会默认开启一条线程,也就是主线程

三、进程和线程的关系

1.线程是进程的执行单元，进程的所有任务都在线程中执行
2.线程是 CPU 分配资源和调度的最小单位
3.一个程序可以对应多个进程(多进程),一个进程中可有多个线程,但至少要有一条线程
4.同一个进程内的线程共享进程资源

四、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:
开启线程需要占用一定的内存空间（默认情况下，主线程占用1M，子线程占用512KB），
如果开启大量的线程，会占用大量的内存空间，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

五、任务

任务就是执行操作的意思，也就是在线程中执行的那段代码。在 GCD 中是放在 block 中的。

执行任务有两种方式：同步执行（sync）和异步执行（async）

同步(Sync)：同步添加任务到指定的队列中，在添加的任务执行结束之前，会一直等待，直到队列里面的任务完成之后再继续执行，即会阻塞线程。只能在当前线程中执行任务(是当前线程，不一定是主线程)，不具备开启新线程的能力。

异步(Async)：线程会立即返回，无需等待就会继续执行下面的任务，不阻塞当前线程。可以在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力(并不一定开启新线程)。如果不是添加到主队列上，异步会在子线程中执行任务

六、队列

队列（Dispatch Queue）：这里的队列指执行任务的等待队列，即用来存放任务的队列。队列是一种特殊的线性表，采用 FIFO（先进先出）的原则，即新任务总是被插入到队列的末尾，而读取任务的时候总是从队列的头部开始读取。每读取一个任务，则从队列中释放一个任务
在 GCD 中有两种队列：串行队列和并发队列。两者都符合 FIFO（先进先出）的原则。

两者的主要区别是：执行顺序不同，以及开启线程数不同。
串行队列（Serial Dispatch Queue）：
同一时间内，队列中只能执行一个任务，只有当前的任务执行完成之后，才能执行下一个任务。（只开启一个线程，一个任务执行完毕后，再执行下一个任务）。主队列是主线程上的一个串行队列,是系统自动为我们创建的

并发队列（Concurrent Dispatch Queue）：
同时允许多个任务并发执行。（可以开启多个线程，并且同时执行任务）。
注意：并发队列的并发功能只有在异步（dispatch_async）函数下才有效

同步/异步和串行/并发

//同步分配一个任务到串行队列
- dispatch_sync(serial_queue,^{//任务});
//异步分配一个任务到串行队列
- dispatch_async(serial_queue,^{//任务});
//同步分配一个任务到并发队列
- dispatch_sync(concurrent_queue,^{//任务})
//异步分配一个任务到并发队列
- dispatch_async(concurrent_queue,^{//任务})

七、多线程

主要有三种：NSThread、NSoperationQueue、GCD
$\color{red}{一般建议开启线程条数：3至5条最为合理}$

1. NSThread：轻量级的，更加面向对象，可直接操作线程对象

有三种创建方式分别为：
$\color{red}{-init方法}$ ，手动开辟子线程，要手动启动，需要我们自己管理该线程，不只是启动，还有该线程使用完毕后的资源回收。
$\color{red}{-detachNewThreadSelector方法}$ ，直接自动启动。
$\color{red}{-performSelectorInBackground方法}$ ，直接启动

// 当使用初始化方法出来的主线程需要start启动
[thread start];
// 可以为开辟的子线程起名字
thread.name = @"线程名称";
// 调整Thread的权限 线程权限的范围值为0 ~ 1 。越大权限越高，先执行的概率就会越高，由于是概率，所以并不能很准确的的实现我们想要的执行顺序，默认值是0.5
thread.threadPriority=1;
// 取消当前已经启动的线程
[thread cancel];
// 通过遍历构造器开辟子线程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(testAction:) toTarget:self withObject:@"参数"];
//在当前线程。延迟1s执行。响应了OC语言的动态性:延迟到运行时才绑定方法
[self performSelector:@selector(testAction:) withObject:nil afterDelay:1];
// 回到主线程。
//waitUntilDone:是否将该回调方法执行完在执行后面的代码，
//如果为YES:就必须等回调方法执行完成之后才能执行后面的代码，说白了就是阻塞当前的线程；
//如果是NO：就是不等回调方法结束，不会阻塞当前线程
[self performSelectorOnMainThread:@selector(testAction) withObject:nil waitUntilDone:YES];
//开辟子线程
[self performSelectorInBackground:@selector(testAction) withObject:nil];
//在指定线程执行
[self performSelector:@selector(testAction) onThread:[NSThread currentThread] withObject:nil waitUntilDone:YES]
//带afterDelay的延时函数，会在内部创建一个 NSTimer，然后添加到当前线程的Runloop中。也就是如果当前线程没有开启runloop，该方法会失效。在子线程中，需要启动runloop(注意调用顺序)
//performSelector:withObject:只是一个单纯的消息发送，和时间没有一点关系。所以不需要添加到子线程的Runloop中也能执行
[self performSelector:@selector(testAction) withObject:nil afterDelay:1];
[[NSRunLoop currentRunLoop] run];

当调用 performSelecter:afterDelay: 后，实际上其内部会创建一个 Timer 并添加到当前线程的 RunLoop 中。所以如果当前线程没有 RunLoop，则这个方法会失效。
当调用 performSelector:onThread: 时，实际上其会创建一个 Timer 加到对应的线程去，同样的，如果对应线程没有 RunLoop 该方法也会失效。

2、GCD,充分利用多核，自动管理生命周期

队列	执行方式
串行	同步
并发	异步
主队列

组合方式	执行方式	创建线程
串行同步	顺序	否
串行异步	顺序	是
并发同步	顺序	否
并发异步	交替	是
主队列同步	死锁	否
主队列异步	顺序	否

有3中queue

1.主队列 dispatch_main_queue(); 串行，更新UI
2.全局队列 dispatch_global_queue(); 并行四个优先级 background、low、default、high
3.自定义队列 dispatch_queue_t(); 串行或并行 DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT、DISPATCH_QUEUE_SERIAL

3、NSOperation 基于GCD的封装，抽象类，不能直接使用，有两个子类可用

NSInvocationOperation,开启后在主线程执行.
NSBlockOperation,开启后在主线程执行，addExecutionBlock方法在子线程中执行
maxConcurrentOperationCount

值	执行方式
-1	并发执行，开多线程(默认)
0	无法执行任务
1	串行执行，不开启线程
>1	并发执行（设置很大没有意义）

4、GCD 和 NSOprationQueue的区别

GCD是面向底层的C语言的API
NSOpertaionQueue用GCD构建封装的，是GCD的高级抽象,完全面向对象，比GCD简单易用，代码可读性高。
1、GCD执行效率更高，而且由于队列中执行的是由block构成的任务，这是一个轻量级的数据结构，写起来更方便，GCD没法停⽌已经加⼊queue的block(其实是有的，但需要许多复杂的代码)
2、GCD只支持FIFO的队列，而NSOperationQueue可以通过设置最大并发数，设置优先级，添加依赖关系等调整执行顺序
3、NSOperationQueue甚至可以跨队列设置依赖关系，但是GCD只能通过设置串行队列，或者在队列内添加barrier(dispatch_barrier_async)任务，才能控制执行顺序,较为复杂，我们可以随时取消已经设定要准备执⾏的任务(当然，已经开始的任务就⽆法阻⽌了)
4、NSOperationQueue因为面向对象，所以支持KVO，可以监测operation是否正在执行（isExecuted）、是否结束（isFinished）、是否取消（isCanceld）

5.实例

$\color{red}{1.串行队列中先异步再同步}$

NSLog(@"start--%@",[NSThreadcurrentThread]);
for(inti=0; i<10; i++) {
  dispatch_async(q, ^{
    NSLog(@"async--%@ i = %d",[NSThreadcurrentThread],i);
  }); }
 NSLog(@"end1--%@",[NSThreadcurrentThread]);
for(inti=0; i<10; i++) {
  dispatch_sync(q, ^{
    NSLog(@"sync--%@---%d",[NSThreadcurrentThread],i);
  });
}
NSLog(@"end2--%@",[NSThreadcurrentThread]);
}

执行结果

执行结果.jpg

分析：先在主线程中执行打印start，然后将异步任务添加到串行队列中（只是添加，并没有立即执行），之后在主线程打印end1，再然后往串行队列里添加了1个同步任务，此时主线程堵塞，等待串行队列里地同步任务执行完毕。此时创建一个子线程开始依次执行异步任务，异步任务结束后，在主线程中执行同步任务（上面的结论）。1个同步任务执行完后（此时串行队列里没有任务了），主线程返回，for循环继续往串行队列里添加1个同步任务，此时主线程继续阻塞，等待串行队列里同步任务执行完毕，此时主线程执行这个同步任务，执行完毕后，主线程返回继续for循环……。等for循环结束后，最后在主线程执行打印end2的操作。
2.并行队列中先异步再同步

NSLog(@"start--%@",[NSThreadcurrentThread]);
for(inti=0; i<10; i++) {
  dispatch_async(q, ^{
  NSLog(@"async--%@---%d",[NSThreadcurrentThread],i);
});
}
NSLog(@"end1--%@",[NSThreadcurrentThread]);
for(inti=0; i<10; i++) {
  dispatch_sync(q, ^{
  NSLog(@"sync--%@---%d",[NSThreadcurrentThread],i);
});
}
NSLog(@"end2--%@",[NSThreadcurrentThread]);

执行结果

执行结果.jpg

分析：上面代码创建了一个并行队列，然后往并行队列中添加了10个异步任务和10个同步任务，上面只是某一次的打印结果，每次的打印结果都不一样，从打印结果可以看出：由于是并行队列，会开启多个子线程执行异步任务，所以异步任务的打印结果是无序的，而同步任务由于都是在主线程中执行，所有总体是有序的。而且同步与异步任务是交叉着执行完毕的。
3.死锁

dispatch_queue_t serialQueue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(serialQueue, ^{
      dispatch_sync(serialQueue, ^{
          NSLog(@"123");
      });
});

分析：外面的函数无论是同步还是异步都会造成死锁。这是因为里面的任务和外面的任务都在同一个 serialQueue 队列内，又是同步，解决方法将里面的同步改成异步 dispatch_async,或者将 serialQueue 换成其他串行或并行队列，都可以解决

NSLog(@"任务1")；
    dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
       NSLog(@"任务2")；
    });
    NSLog(@"任务三");

分析：先执⾏任务1，接下来，程序遇到了同步线程，它会进⼊等待，等待任务2执⾏完，然后执⾏任务3。但这是队列，有任务来，会将任务加到队尾，然后遵循FIFO原则执⾏任务,现在任务2就会被加到最后，任务3排在了任务2前⾯.
问题来了：任务3要等任务2执⾏完才能执⾏，任务2⼜排在任务3后⾯，意味着任务2要在任务3执⾏完才能执⾏，所以他们进⼊了互相等待的局⾯。
$\color{red}{4.performSelector}$

  dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        [self performSelector:@selector(test:) withObject:nil afterDelay:0];
    });

分析：这里的 test 方法是不会去执行的，原因在于performSelector方法要创建提交任务到 runloop 上的，而GCD底层创建的线程默认是没有开启对应 runloop 的，所已这个方法就会失效。而如果将 dispatch_get_global_queue 改成主队列，由于主队列所在的主线程是默认开启runloop的，就会去执行(将 dispatch_async 改成同步，因为同步是在当前线程执行，那么如果当前线程是主线程，test 方法也是会去执行的)，也可以使用 GCD的dispatch_after来实现。
$\color{red}{5.dispatch_barrier_async}$
可以实现多读单写，多读单写的意思是可以多个读者同时读取数据，而在读的时候，不能取写入数据。并且在写的过程中，不能有其他写者去写。即读者之间是并发的，写者与读者或其他写者是互斥的。这里的写处理就是通过栅栏的形式去写。

dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("test", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    for (NSInteger i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_sync(concurrentQueue, ^{
            NSLog(@"%zd",i);
        });
    }
    dispatch_barrier_sync(concurrentQueue, ^{
        NSLog(@"------barrier------");
    });
    for (NSInteger i = 10; i < 20; i++) {
        dispatch_sync(concurrentQueue, ^{
           NSLog(@"%zd",i);
        });
    }

分析：这里的 dispatch_barrier_sync 上的队列要和需要阻塞的任务在同一队列上，否则是无效的。从打印上看，任务 0-9 和任务任务 10-19 因为是异步并发的原因，彼此是无序的。而由于栅栏函数的存在，导致顺序必然是先执行任务 0-9，再执行栅栏函数，再去执行任务 10-19。
dispatch_barrier_sync: 提交一个栅栏函数在执行中,它会等待栅栏函数执行完
dispatch_barrier_async: 提交一个栅栏函数在异步执行中,它会立马返回)
而 dispatch_barrier_sync 和 dispatch_barrier_async 的区别也就在于会不会阻塞当前线程
比如，上述代码如果在 dispatch_barrier_async 后随便加一条打印，则会先去执行该打印，再去执行任务 0-9 和栅栏函数；而如果是 dispatch_barrier_sync，则会在任务 0-9 和栅栏函数后去执行这条打印。
$\color{red}{6.dispatch_group_async}$
在 n 个耗时并发任务都完成后，再去执行接下来的任务。比如，在 n 个网络请求完成后去刷新 UI 页面。

dispatch_queue_t concurrentQueue = dispatch_queue_create("test",DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    for (NSInteger i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_group_async(group, concurrentQueue, ^{
            sleep(1);
            NSLog(@"%zd",i);
        });
    }
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"主线程");
    });

$\color{red}{7.Dispatch Semaphore}$
GCD 中的信号量是指 Dispatch Semaphore，是持有计数的信号,保持线程同步，将异步执行任务转换为同步执行任务,保证线程安全，为线程加锁
Dispatch Semaphore 提供了三个函数

dispatch_semaphore_create：创建一个 Semaphore 并初始化信号的总量
dispatch_semaphore_signal：发送一个信号，让信号总量加 1
dispatch_semaphore_wait：可以使总信号量减 1，当信号总量为 0 时就会一直等待（阻塞所在线程），否则就可以正常执行。
$\color{red}{8.dispatch_after}$
延时函数
dispatch_after 能让我们添加进队列的任务延时执行，该函数并不是在指定时间后执行处理，而只是在指定时间追加处理到 dispatch_queue
内部使用的是 dispatch_time_t 管理时间，而不是 NSTimer。所以如果在子线程中调用，相比 performSelector:afterDelay,不用关心 runloop 是否开启
$\color{red}{9.dispatch_once}$
实现单利

+ (instancetype)sharInstance{
    static dispatch_once_t onceToken;
    static id instance = nil;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        instance = [[self alloc] init];
    });
    return instance;
}

$\color{red}{10.NSThread+runloop 实现常驻线程}$
NSThread 在实际开发中比较常用到的场景就是去实现常驻线程。
由于每次开辟子线程都会消耗 cpu，在需要频繁使用子线程的情况下，频繁开辟子线程会消耗大量的 cpu，而且创建线程都是任务执行完成之后也就释放了，不能再次利用，最好是用常驻线程

+ (NSThread *)shareThread{
    static NSThread *shareThread = nil;
    static id instance = nil;
    static dispatch_once_t oncePredicate;
    dispatch_once(&oncePredicate, ^{
        shareThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(threadTest1) object:nil];
        [shareThread setName:@"threadTest"];
        [shareThread start];
    });
    return shareThread;
}

+ (void)threadTest{
    @autoreleasepool {
        NSRunLoop *runLoop = [NSRunLoop currentRunLoop];
        [runLoop addPort:[NSMachPort port] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [runLoop run];
    }
}

//然后调用 performSelector 就可以啦
[self performSelector:@selector(test) onThread:[ViewController shareThread] withObject:nil waitUntilDone:NO];

- (void)test {
    NSLog(@"test:%@",[NSThread currentThread]);
}

结构图.png

进程、线程、任务、队列

一、进程

二、线程

三、进程和线程的关系

四、多线程的优缺点

五、任务

执行任务有两种方式：同步执行（sync）和异步执行（async）

六、队列

同步/异步和串行/并发

七、多线程

1. NSThread：轻量级的，更加面向对象，可直接操作线程对象

2、GCD,充分利用多核，自动管理生命周期

有3中queue

3、NSOperation 基于GCD的封装，抽象类，不能直接使用，有两个子类可用

4、GCD 和 NSOprationQueue的区别

5.实例

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1. NSThread：轻量级的，更加面向对象，可直接操作线程对象

2、GCD,充分利用多核，自动管理生命周期

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