重修笔记之多线程NSThread

一、什么是多线程

• 多线程是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。
• 由于一条线程同一时间只能处理一个任务，所以线程里的任务必须按顺序执行。
• 如果遇到耗时操作(网络通信、耗时计算、音乐播放等)，等上一个操作完成再执行下一个任务，在此段时间内，用户得不到任何响应，这个体验无疑是极糟的。
• 因此，在iOS编程中，通常将耗时操作单独放在一个线程中，而把用户交互的操作放在主线程中。

二、进程与线程

• 进程：

进程是指系统中正在运行的应用程序。这个'运行中的程序'就是一个进程。
每个进程都拥有着自己的地址空间。

进程有3个主要特征：

独立性：  
进程是一个能够独立运行的基本单位，它既拥有自己独立的资源，又拥有着自己私有的地址空间。
在没有经过进程本身允许的情况下，一个用户的进程是不可以直接访问其他进程的地址空间的。 

动态性：    
进程的实质是程序在系统中的一次执行过程。
程序只是一个静态的指令集合，而进程是一个正在系统中活动的指令集合。
在进程中加入了时间的概念，它就具有了自己的生命周期和各自不同的状态，进程是动态消亡的。
  
并发性：  
多个进程可以在单个处理器中同时进行，而不会相互影响。

• 线程：

多线程扩展了多进程的概念，使得同一进程可以同时并发处理多个任务。
一个程序的运行至少需要一个线程，一个进程想要执行任务，也必须要有至少一个线程，而这个线程就被称作主线程。 
通常来说，只有一个主线程。
当进程被初始化后，主线程就被创建了，主线程是其他线程最终的父线程，所有界面的显示操作必须在主线程进行。

三、多线程的优势

1. 进程间不能共享内存，但线程之间的共享内存是很容易的。

2. 当硬件处理器的数量有所增加时，程序运行的速度更快，无需做其他调整。

3. 充分发挥了多核处理器的优势，将不同的任务分配给不同的处理器，真正进入“并行运算”的状态。

4. 将耗时、并发需求高的任务分配到其他线程执行，而主线程则负责统一更新界面，这样使得应用程序更加流畅，用户体验更好。

四、多线程的劣势

1. 开启线程需要占用一定的内存空间[默认情况下，主线程最大占用1M的栈区空间、子线程最大占用512K的栈区空间]，如果要开启大量的线程，势必会占用大量的内存空间，从而降低程序的性能。
2. 开启的线程越多，CPU在调度线程上的开销就越大，一般最好不要同时开启超过5个线程。
3. 程序的设计会变得更加复杂，如线程之间的通信、多线程间的数据共享等。

五、线程的串行和并行

• 串行：

如果在一个进程中只有一个线程，而这个进程要执行多个任务，
那么这个线程只能一个一个的按照顺序执行这些任务，也就是说，
在同一时间内，一个线程只能执行一个任务，这样的线程执行方式称为线程的串行。

• 并行：

如果一个进程中包含的线程不止一条，
每条线程之间可以并行执行不同的任务，这叫做线程的并行，也叫多线程。

• 补充：

假如一个进程有3个线程，每个线程执行1个任务，3个下载任务没有先后顺序。可以同时执行。 
同一时间，CPU只能处理一个线程，也就是只有一个线程在工作。
由于CPU快速的在多个线程之间调度，人眼无法察觉到，就造成了多线程并发执行的假象。

六、线程的状态

当线程被创建并启动之后，既不是一启动就进入执行状态，也不是一直处于执行状态，即便程序启动运行之后，它也不可能一直占用CPU独自运行。

由于CPU需要在多个线程之间进行切换，造成了线程的状态会在多次运行、就绪之间进行切换。

线程的状态主要有5个：

1. 新建New        
当程序新建一个线程之后，该线程就处于新建状态。
和其他对象一样，只是由系统分配了内存，并初始化了内部成员变量的值。
此时的线程没有任何动态特征

2. 就绪Runable
当线程被start之后，该线程就处于就绪状态。
系统会为其创建 方法调用的栈和 程序计数器。

3. 运行Running
当CPU调度当前线程的时候，将其他线程挂起，当前线程变为运行状态。
当CPU调度其他线程时，当前线程回到就绪状态。
测试线程是否在运行，调用isExecuting方法，若返回YES，则处于运行状态。

4. 终止Exit
* 线程执行方法执行完成，线程正常结束
* 线程执行的过程出现异常，线程崩溃结束
* 直接调用NSThread类的exit方法，终止当前正在运行的线程
* 测试线程是否结束，调用isFinished方法判断，若返回YES，则已终止。

5. 阻塞Blocked    
如果当前正在执行的线程需要暂停一段时间，并进入阻塞状态，通过NSThread类的两个方法：

//让当前执行的线程暂停到date参数代表的时间，并且进入阻塞状态
+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;

//让正在执行的线程暂停ti秒，并进入阻塞状态
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;

七、线程间的安全隐患

进程中的一块资源可能会被多个线程共享，也就是多个线程可能访问同一块资源，这里的资源包括对象、变量、文件等。
当多个线程同时访问同一块资源时，会造成资源抢夺，很容易引发数据错乱和数据安全的问题。
为了解决这个问题，实现数据的安全访问，可以使用线程间的加锁。

• 数据混乱示例：

/** 售票处理 */
- (void)saleTickets{
    while (true) {
        //模拟延时
        [NSThread sleepForTimeInterval:1.0];
        
        //判断是否还有票
        if (self.leftTickets > 0) {
            self.leftTickets--;
            
            NSLog(@"%@卖了一张票，还剩下%lu张票",[NSThread currentThread].name,self.leftTickets);
        } else{
            NSLog(@"票已售完");
            return;
        }
    }
}


-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    //设定总票数
    self.leftTickets = 100;
    //创建3个线程，启动后执行saleTickets方法卖票
    NSThread *t1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTickets) object:nil];
    t1.name = @"1号窗口";
    [t1 start];
    
    NSThread *t2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTickets) object:nil];
    t2.name = @"2号窗口";
    [t2 start];
    
    NSThread *t3 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTickets) object:nil];
    t3.name = @"3号窗口";
    [t3 start];
}

未加锁.png

可以看到，由于3个线程的并发操作，同一时间抢夺一个资源leftTickets，造成了剩余票数统计的混乱。

• 加锁示例：

@synchronized (obj)
{
    //插入被修饰的代码块
}

• 使用同步锁的时候，要尽量让同步代码块包围的代码范围最小，而且要锁定共享资源的全部读写部分的代码。

obj就是加锁对象，添加了锁对象后，锁对象实现了对多线程的监管，保证同一时刻只有一个线程执行，当同步代码块执行完成后，锁定对象就会释放同步监视器的锁定。

/** 售票处理 */
- (void)saleTickets{
    while (true) {
        //模拟延时
        [NSThread sleepForTimeInterval:1.0];
        
        //判断是否还有票
        @synchronized(self){
            if (self.leftTickets > 0) {
                self.leftTickets--;
                
                NSLog(@"%@卖了一张票，还剩下%lu张票",[NSThread currentThread].name,self.leftTickets);
            } else{
                NSLog(@"票已售完");
                return;
            }
        }
    }
}

加锁.png

线程添加同步锁后，实现了线程的同步运行，也就是说，使多线程按顺序执行任务。需要注意的是，同步锁会消耗大量的CPU资源。