iOS ——多线程原理

了解多线程的原理，保证App的质量。

一、进程、线程与队列

1：进程

• 进程 是指在系统中正在运行的一个应用程序，如微信、网易云音乐APP等都是一个进程。

• 每个进程之间都是独立的，每个进程均运行在其专用切受保护的内存。

2：线程

• 线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行。
• 进程想要执行任务，必须得有线程，进程至少有一条线程。
• 程序启动会默认开启一条线程，该线程被称为主线程。

3：进程 线程的关系与区别

• 地址空间：同一进程的线程共享进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间。

• 资源拥有：同一进程内的线程共享进程的资源，如 内存、I/O、CPU等，但是进程之间的资源是独立的。

• 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃 整个进程都会死掉，所以多进程要比多线程健壮。

• 进程切换时，消耗的资源大、效率高。所以设计到频繁的切换时，使用线程要好于进程。同样如果要求同时进行并且要共享某些变量的并发操作，只能用线程而不是进程。

• 执行过程：每个独立的进程有一个程序运行的入口，顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程的执行控制。

  
  进程&线程关系图

移动开发不一定是单进程处理的，Android就是多进程处理的，iOS采用沙盒机制，这也是苹果运行流畅安全的主要原因。

4：队列
队列（queue）是先进先出（FIFO：first in first out）的线性表，具体应用中 通常使用链表或者数组来实现。转载线程任务的队形结构，队列只允许在后端(rear）进行插入操作，在前端(front)进行删除取出操作。队列的操作方式和堆栈类似，唯一的区别在于队列只允许新数据在后端进行添加。

队列

5：队列和线程的关系

没啥关系吧

• 队列负责任务的调度，进程执行任务。
• 比如 在银行（进程）中，有4个窗口（线程），却只有一条队伍（队列）
• 窗口（线程）只负责为排队的人办理业务，并不会管队伍（队列）怎么排的。

6：线程与RunLoop的关系

• Runloop与线程是一一对应的，一个RunLoop对应一个核心的线程，为什么说是核心的呢？是因为 RunLoop是可以嵌套的，但是核心的只能有一个，它们的关系保存在一个全局的字典里。

• RunLoop是来管理线程的，当线程的RunLoop被开启后，线程会在执行完成后进入休眠状态，有了任务就会被唤醒去执行任务。

• RunLoop在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁。
  对于主线程来说，RunLoop在程序一启动就默认创建好了。对于子线程来说，RunLoop是懒加载的，只有当我们使用的时候才会被创建，所以在子线程用定时器要注意：确保子线程的RunLoop被创建，不然定时器不会回调。

7：影响任务执行的速度的因素

• CPU的调度
• 线程的执行速率
• 队列情况
• 任务执行的复杂度
• 任务的优先级

二、多线程

1：多线程原理

• 同一时间，CPU只能处理一条线程，只有一条线程在工作执行
• 多线程并发（同时）执行，其实就是CPU执行时快速的在多条线程之间调度（切换）。CPU执行任务和切换的速度很快，看起来多个线程任务像是在同时执行。

2：多线程意义

优点

• 能适当提高程序的执行效率
• 能适当提高资源的利用率（CPU、内存）
• 线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁

缺点

• 开启线程会占用一定的内存空间（默认情况下，每个线程都占512kb,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，会占用大量的内存空间，降低程序的性能
• 线程越多，CPU在调用线程上的开销越大
• 程序设计更加复杂，比如线程间的通信，多线程数据共享

3：多线程的生命周期

线程周期
多线程的生命周期是：新建 — 就绪 — 运行 — 阻塞 — 死亡

• 新建：实例化线程对象
• 就绪：向线程对象发送start消息，线程对象被加入可调度线程池等待CPU调度。
• 运行：CPU 负责调度可调度线程池中线程的执行。线程执行完成之前，状态可能会在就绪和运行之间来回切换。就绪和运行之间的状态变化由CPU负责，程序员不能干预。
• 阻塞：当满足某个预定条件时，可以使用休眠或锁，阻塞线程执行。sleepForTimeInterval（休眠指定时长），sleepUntilDate（休眠到指定日期），@synchronized(self)：（互斥锁）。
• 死亡：正常死亡，线程执行完毕。非正常死亡，当满足某个条件后，在线程内部中止执行/在主线程中止线程对象。

4：线程池的原理

线程池调度

• 若 线程池大小 小于 核心线程池大小,创建线程执行任务。
• 若线程池大小 大于等于 核心线程池大小，先判断线程池工作队列是否已满，没满就将任务push进队列，满了并且maximumPoolSize > corePoolSize，将创建新的线程来执行任务，反之则交给饱和策略来处理。

饱和策略如下：

• AbortPolicy直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行
• CallerRunsPolicy将任务回退到调用者
• DisOldestPolicy丢掉等待最久的任务
• DisCardPolicy直接丢弃任务

4：iOS多线程实现方案

pthread：一套通用的多线程API适用于Unix/Linux/Windows等系统跨平台/可移植使用难度大，C语言，程序员管理，几乎不用。

NSThread：使用更加面向对象简单易用，可直接操作线程对象，
OC语言，程序员管理生命周期，偶尔使用。

GCD：旨在替代NSThread等，线程技术充分利用设备的多核，C语言，自动管理生命周期，经常使用。

NSOperation:基于GCD（底层是GCD）比GCD多了一些更简单实用的功能使用更加面向对象，OC语言，自动管理生命周期，经常使用。

5：GCD和NSOperation的区别

• GCD 仅仅支持 FIFO队列，不支持异步操作间的依赖关系设置，而NSOperation中的队列可以被重新设置优先级，从而实现不同的操作的执行顺序调整。
• NSOperation支持KVO ，可以观察任务的执行状态。
• GCD更接近底层，GCD在追求性能的底层操作来说，是速度最快的。
• 从异步操作间的事务性，顺序行，依赖关系。GCD需要自己写更多的代码来实现，而NSOperation已经内建了这些支持。
• 如果异步操作的过程需要更多的被交互和UI呈现出来，NSOperation更好，底层代码中，任务间不太互相依赖，而需要更高的并发能力，GCD则更有优势。

6：线程间的通讯

• 直接消息传递: 通过performSelector的一系列方法，可以实现由某一线程指定在另外的线程上执行任务。因为任务的执行上下文是目标线程，这种方式发送的消息将会自动的被序列化
• 全局变量、共享内存块和对象: 在两个线程之间传递信息的另一种简单方法是使用全局变量，共享对象或共享内存块。尽管共享变量既快速又简单，但是它们比直接消息传递更脆弱。必须使用锁或其他同步机制仔细保护共享变量，以确保代码的正确性。 否则可能会导致竞争状况，数据损坏或崩溃。
• 条件执行: 条件是一种同步工具，可用于控制线程何时执行代码的特定部分。您可以将条件视为关守，让线程仅在满足指定条件时运行。
• Runloop sources: 一个自定义的 Runloop source 配置可以让一个线程上收到特定的应用程序消息。由于 Runloop source 是事件驱动的，因此在无事可做时，线程会自动进入睡眠状态，从而提高了线程的效率
• Ports and sockets:基于端口的通信是在两个线程之间进行通信的一种更为复杂的方法，但它也是一种非常可靠的技术。更重要的是，端口和套接字可用于与外部实体（例如其他进程和服务）进行通信。为了提高效率，使用 Runloop source 来实现端口，因此当端口上没有数据等待时，线程将进入睡眠状态
• 消息队列: 传统的多处理服务定义了先进先出（FIFO）队列抽象，用于管理传入和传出数据。尽管消息队列既简单又方便，但是它们不如其他一些通信技术高效
• Cocoa 分布式对象: 分布式对象是一种 Cocoa 技术，可提供基于端口的通信的高级实现。尽管可以将这种技术用于线程间通信，但是强烈建议不要这样做，因为它会产生大量开销。分布式对象更适合与其他进程进行通信，尽管在这些进程之间进行事务的开销也很高。