OC底层基础：多线程GCD

作者: 节奏lhl | 来源:发表于2022-02-23 14:45 被阅读0次

查看oc文件底层结构

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc xxx.m

支持ARC、指定运行时系统版本

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-15.0.0 xxx.m

一、iOS中常见的多线程方案

iOS中常见的多线程方案.png

二、容易混淆的术语

有4种术语比较容易混淆：同步、异步、并发、串行

同步和异步主要影响：能不能开启新的线程
1. 同步：在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力
2. 异步：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力
并发和串行主要影响：任务的执行方式
1. 并发：多个任务并发（同时）执行
2. 串行：一个任务执行完毕后，再执行下一个任务
  
  各种队列的执行效果.png

注：使用sync函数往当前串行队列中添加任务，会卡住当前的串行队列（产生死锁）

三、GCD的常用函数

1. GCD中2个用来执行任务的函数

用同步的方式执行任务
dispatch_sync(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);
用异步的方式执行任务
dispatch_async(dispatch_queue_t queue, dispatch_block_t block);

注：queue：队列，block：队列

2. GCD源码：https://github.com/apple/swift-corelibs-libdispatch

四、线程同步方案

OSSpinLock（iOS10之后废弃）

OSSpinLock：“自旋锁”，等待锁的线程会处于忙等（busy-wait）状态，一直占用CPU资源
目前已经不再安全，可能会出现优先级反转问题
1. 如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁

// 初始化
OSSpinLock lock = OS_SPINLOCK_INIT;
// 尝试加锁（如果需要等待就不加锁，直接返回false；如果不需要等待就加锁，返回true）
bool result = OSSpinLockTry(&lock);
// 加锁
OSSpinLockLock(&lock);
// 解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);

os_unfair_lock

os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock，iOS10开始支持
从底层调用看，等待os_unfair_lock锁的线程会处于休眠状态，并非忙等
需要导入#import <os/lock.h>头文件

/// 初始化
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
/// 尝试加锁
os_unfair_lock_trylock(&lock);
/// 加锁
os_unfair_lock_lock(&lock);
/// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&lock);

dispatch_semaphore

semaphore：”信号量“
信号量的初始值可以用来控制线程并发量访问的最大数量
信号量的初始化为1，代表同时只允许1条线程访问资源，保证线程同步

// 信号量的初始化
int value = 1;
// 初始化信号量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
// 如果信号量的值<=0，当前线程就会进入休眠等待（直到信号量的值>0）
// 如果信号量的值>0，就减1，然后往下执行后面的代码
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
//让信号量的值加1
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

pthread_mutex

mutex：”互斥锁“，等待锁的线程会处于休眠状态
需要导入头文件#import <pthread.h>

// 初始化锁的属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
// pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_ RECURSIVE);（递归锁：允许同一个线程对一把锁进行重复加锁）
// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
// 尝试加锁
pthread_mutex_trylock(&mutex);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 销毁相关资源
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
pthread_mutex_destroy(&mutex);

/*
 * Mutex type attributes
 */
#define PTHREAD_MUTEX_NORMAL        0
#define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK    1
#define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE     2
#define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT       PTHREAD_MUTEX_NORMAL

NSLock、NSRecursiveLock

NSLock是对mutex普通锁的封装

@interface NSLock : NSObject <NSLocking> {
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
@end

@protocol NSLocking
- (void)lock;
- (void)unlock;
@end

// 初始化锁
NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];

NSRecursiveLock也是对mutex递归锁的封装，API跟NSLock基本一致

NSCondition

NSCondition是对mutex和cont的封装

@interface NSCondition : NSObject <NSLocking> {
- (void)wait;
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit;
- (void)signal;
- (void)broadcast;
@end

pthread_mutex - 条件（条件锁）

// 初始化锁
pthread_mutex_t mutex;
// NULL代表使用默认属性
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 初始化条件
pthread_cond_t condition;
pthread_cond_init(&condition, NULL);
// 等待条件（进入休眠，开放mutex锁；被唤醒后，会再次对mutex加锁）
pthread_cond_wait(&condition, &mutex);
// 激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&condition);
// 激活所有等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast(&condition);
// 销毁相关资源
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&condition);

NSConditionLock

NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值

@interface NSConditionLock : NSObject <NSLocking> {
- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER;
@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;
@end

dispatch_queue

直接使用GCD的串行队列也是可以线程同步的

@synchronized

@synchronized是对metex递归锁的封装

性能从高到低排序

os_unfair_lock
OSSpinLock
dispatch_semaphore
pthread_mutex
dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
NSLock
NSCondition
pthread_mutex(recursive)
NSRecursiveLock
NSConditionLock
@synchronized

五、多线程安全隐患的解决方案

解决方案：使用线程同步技术（同步，就是协同步调，按预定的先后次序进行）
常见的线程同步技术是：加锁

多线程安全隐患的解决方案.png

六、自旋锁、互斥锁比较

什么情况使用自旋锁比较划算
1. 预计线程等待锁的时间很短
2. 加锁的代码（临界区）经常被调用，但竞争情况很少发生
3. CPU资源不紧张
4. 多核处理器
什么情况使用互斥锁比较划算
1. 预计线程等待锁的时间较长
2. 单核处理器
3. 临界区有IO操作
4. 临界区代码复杂或者循环量大
5. 临界区竞争非常激烈

七、iOS中读写安全方案

思考如何实现以下场景

同一时间，只能有1个线程进行写的操作
同一时间，允许有多个线程进行读的操作
同一时间，不允许既有些的操作，又有读的操作

上面的场景是典型的”多读单写“，经常用于文件等数据的读写操作，iOS中实现方案有

pthread_rwlock：读写锁
dispatch_barrier_async：异步栅栏调用

pthread_rwlock

// 初始化锁
pthread_rwlock_t *lock;
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
// 读-加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读-尝试加锁
pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);
// 写-加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写-尝试加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock); 
// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 销毁
pthread_rwlock_destroy(&lock);

dispatch_barrier_async

这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_create创建的
如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列，那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果

// 初始化队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("rw_queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
// 读
dispatch_async(queue, ^{
});
// 写
dispatch_barrier_sync(queue, ^{
});

八、其他

atomic

atomic用于保证属性setter、getter的原子性操作，相当于在getter和setter内部加了线程同步的锁
可以参考源码objc4的objc-accessors.mm
它并不能保证使用属性的过程是线程安全的

面试题

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
dispatch_async(queue, ^{
    NSLog(@"1");
    [self performSelector:@selector(test) withObject:nil afterDelay:0];
    NSLog(@"3");
});

- (void)test {
    NSLog(@"2");
}

打印结果是1、3
原因
1. performSelector: withObject: afterDelay:的本质是往Runloop中添加定时器
2. 子线程默认没有启动Runloop

- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithBlock:^{
        NSLog(@"1");
    }];
    [thread start];
    
    [self performSelector:@selector(test) onThread:thread withObject:nil waitUntilDone:YES];
}

- (void)test {
    NSLog(@"2");
}

打印结果是1、崩溃

如何用GCD实现

异步并发执行任务1、任务2
等任务1、任务2执行完毕后，再回到主线程执行任务3

    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任务1");
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任务2");
    });
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"任务3");
    });

注：可能涉及的面试题

你理解的多线程
iOS的多线程方案有哪几种，你更倾向于哪种
你在项目中用过GCD吗
GCD的队列类型
说一下OperationQueue和GCD的区别，以及各自的优势
线程安全的处理手段有哪些
OC你了解的锁有哪些？
追问一：自旋锁和互斥锁对比
追问二：使用以上锁需要注意哪些
追问三：用C/OC/C++，任选其一实现自旋锁或者互斥锁，口述

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OC底层基础：RunLoop
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OC底层基础：内存管理

OC底层基础：多线程GCD

一、iOS中常见的多线程方案

二、容易混淆的术语

三、GCD的常用函数

四、线程同步方案

五、多线程安全隐患的解决方案

六、自旋锁、互斥锁比较

七、iOS中读写安全方案

八、其他

注：可能涉及的面试题

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