iOS -- 浅谈多线程原理

作者: iOS开发之家 | 来源:发表于2021-06-22 16:59 被阅读0次

进程与线程

如果把进程比作是一个电子厂，那么线程就是一条条的流水作业线。电子厂与电子厂之间相互独立，当前电子厂的作业流水线只能使用自己电子厂资源。

进程

进程是指在系统中正在运行的一个应用程序，比如打开的Xcode。
每个进程之间是独立的，每个进程运行在专有的而且受保护的内存空间中。

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，必须要有线程，进程至少要有一条线程用来执行任务。
程序启动时会默认开启一条线程，这条线程被称为主线程或者UI线程。

进程与线程的关系

线程是进程的执行单元，进程的所有任务都在线程中执行，同一个进程内的线程共享进程资源。
地址空间:同一进程的线程共享本进程的地址空间，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本进程的资源如内存、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死掉。所以多进程要比多线程健壮。

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进程切换时，消耗的资源大，效率高。所以涉及到频繁的切换时，使用线程要好于进程。同样如果要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程不能用进程。
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执行控制。
线程是处理器调度的基本单位，但是进程不是。
线程没有地址空间,线程包含在进程地址空间中。

多线程

多线程原理

我们知道一个进程可以开启多个线程，进程的所有任务都在线程中执行，而一个线程中的任务是串行的，如果要在一个线程中执行多个任务，那么只能一个一个地按顺序执行这些任务，也就是说，在同一时间内，一个线程只能执行一个任务，而在同一时刻，一个CPU只能处理一条线程（只有一个线程在执行任务），但CPU可以在多条线程之间快速的切换，只要切换的足够快，就造成了多线程一同执行的假象。

多线程的优缺点

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

开启线程需要占用一定的内存空间(默认情况下，主线程占用1 MB，子线程都占用512 KB)
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就越大
程序设计更加复杂，比如线程间的通信、多线程的数据共享

那么提出一个疑问❓如果进程开启的线程非常非常多，会发生什么情况❓

答：CPU会在许多线程之间调度，CPU会累死，会消耗大量的CPU资源, 而且每条线程被调度执行的频次会降低（线程的执行效率也就降低）

主线程（`UI`线程）

一个iOS程序运行后，默认会开启一条线程，称为主线程或UI线程.主线程主要用于显示刷新UI界面，处理UI事件。（最好不要将耗时任务放在主线程处理，耗时操作会卡住主线程，造成一种卡顿现象。）

线程的生命周期

image.png

新建：实例化线程对象
就绪：向线程对象发送start消息，线程对象并不会立即执行，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。当进入休眠时，会重新将线程加入就绪状态中。休眠的时间设置参数为：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(或者在主线程中止线程对象)

关于线程的exit和cancel：

[NSThread exit]：一旦强行终止线程，后续的所有代码都不会执行

[thread cancel]：并不会直接取消正在执行的线程，只是给线程对象添加 isCancelled 标记

线程的优先级

typedef NS_ENUM(NSInteger, NSQualityOfService) {
    NSQualityOfServiceUserInteractive = 0x21,
    NSQualityOfServiceUserInitiated = 0x19,
    NSQualityOfServiceUtility = 0x11,
    NSQualityOfServiceBackground = 0x09,
    NSQualityOfServiceDefault = -1
} API_AVAILABLE(macos(10.10), ios(8.0), watchos(2.0), tvos(9.0));
复制代码

上述优先级从高到低，但是，线程执行的快慢，除了看线程的优先级，还需要查看执行任务资源的大小（即任务的复杂度）、以及 CPU调度情况。

线程池

image.png

线程安全

当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题。就好像售票系统，如果多人同时在售票，每个人的售票处理的速度不一样，那么就会造成余票的数量飘忽不定。那么解决多线程安全问题有两种方法：互斥锁和自旋锁。

互斥锁和自旋锁

互斥锁（同步锁）：@synchronized

@synchronized(锁对象) {
    // 需要锁定的代码
}
复制代码

用于保护临界区,保证锁内的代码，同一时间，只有一条线程能够执行。
判断的时候锁对象要存在，如果代码中只有一个地方需要加锁，大多都使用self作为锁对象，这样可以避免单独再创建一个锁对象。
加了互斥锁的代码，当有新的线程访问时，如果发现其他线程正在执行锁定的代码，新线程就会进入休眠。
锁对象一定要保证所有的线程都能够访问。
互斥锁的锁定范围，应该尽量小，锁定范围越大，效率越差。

自旋锁

自旋锁不同于互斥锁通过线程休眠来达到阻塞，自旋锁是线程在获取锁对象之前，一直处于忙等询问的阻塞状态。

加了自旋锁，当新线程访问代码时，如果发现有其他线程正在锁定代码，新线程会用死循环的方式，一直等待锁定的代码执行完成。相当于不停尝试执行代码，比较消耗性能。其中，属性修饰符atomic，本身就有一把自旋锁(atomic又称为原子锁)。

atomic和nonatomic

atomic 原子属性,是默认属性，是线程安全的，保证同一时间只有一个线程能够写入，但是同一个时间多个线程都可以取值。使用其需要消耗大量的资源。

nonatomic 非原子属性,是非线程安全的，同一时间可以有很多线程读和写。相比atomic效率更高。

在iOS开发的过程中，建议将所有属性都声明为nonatomic，开发过程中尽量避免多线程抢夺同一资源，将资源的业务逻辑交由服务端完成。

线程之间的通信

在苹果的文档Threading Programming Guide文档的Table 1-3 Communication mechanisms部分，有提到关于线程之间通信的方式。

截屏2021-06-18 下午2.16.46.png

简单用代码介绍一下常用的通信方式：

直接消息: 通过performSelector的一系列方法

//异步下载图像
[self performSelectorInBackground:@selector(downloadImageWithURL:) withObject:url];

- (void)downloadImageWithURL:(NSURL *)url {
    // 1\. 获取二进制数据
    NSData *data = [NSData dataWithContentsOfURL:url];

    // 2\. 将二进制数据转换成 image
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:data];

    // 3\. 在主线程更新 UI
    // waitUntilDone: 是否等待 updateImage: 执行完成
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(updateImage:) withObject:image waitUntilDone:YES];
    NSLog(@"完成");
}
复制代码

端口通信

ZhModel.h

@interface ZhModel : NSObject
- (void)modelLaunchThreadWithPort:(NSPort *)port;
@end

ZhModel.m

#import "ZhModel.h"
@interface ZhModel()<NSMachPortDelegate>
@property (nonatomic, strong) NSPort *vcPort;
@property (nonatomic, strong) NSPort *myPort;
@end

@implementation ZhModel
- (void)modelLaunchThreadWithPort:(NSPort *)port{

    NSLog(@"VC 响应了Model里面");
    @autoreleasepool {
        //1\. 保存主线程传入的port
        self.vcPort = port;
        //2\. 设置子线程名字
        [[NSThread currentThread] setName:@"ZhModelThread"];
        //3\. 开启runloop
        [[NSRunLoop currentRunLoop] run];
        //4\. 创建自己port
        self.myPort = [NSMachPort port];
        //5\. 设置port的代理回调对象
        self.myPort.delegate = self;
        //6\. 完成向主线程port发送消息
        [self sendPortMessage];
    }
}
//   完成向主线程发送port消息
- (void)sendPortMessage {

    NSData *data1 = [@"ZhModel" dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSMutableArray *array  =[[NSMutableArray alloc]initWithArray:@[data1,self.myPort]];
    // 发送消息到VC的主线程
    // 第一个参数：发送时间。
    // msgid 消息标识。
    // components，发送消息附带参数。
    // reserved：为头部预留的字节数
    [self.vcPort sendBeforeDate:[NSDate date]
                          msgid:10086
                     components:array
                           from:self.myPort
                       reserved:0];

}

#pragma mark - NSMachPortDelegate
- (void)handlePortMessage:(NSPortMessage *)message{
    NSLog(@"model:handlePortMessage  == %@",[NSThread currentThread]);
    NSLog(@"从VC 传过来一些信息:");
    NSLog(@"components == %@",[message valueForKey:@"components"]);
    NSLog(@"receivePort == %@",[message valueForKey:@"receivePort"]);
    NSLog(@"sendPort == %@",[message valueForKey:@"sendPort"]);
    NSLog(@"msgid == %@",[message valueForKey:@"msgid"]);
}
@end
复制代码

PortViewController.m

#import "PortViewController.h"
#import <objc/runtime.h>
#import "ZhModel.h"

@interface PortViewController ()<NSMachPortDelegate>
@property (nonatomic, strong) NSPort *myPort;
@property (nonatomic, strong) ZhModel *zhmodel;

@end

@implementation PortViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    //1\. 创建主线程的port
    // 子线程通过此端口发送消息给主线程
    self.myPort = [NSMachPort port];
    //2\. 设置port的代理回调对象
    self.myPort.delegate = self;
    //3\. 把port加入runloop，接收port消息
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:self.myPort forMode:NSDefaultRunLoopMode];

    self.zhmodel = [[ZhModel alloc] init];
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(modelLaunchThreadWithPort:)
                             toTarget:self.zhmodel
                           withObject:self.myPort];

}

#pragma mark - NSMachPortDelegate

- (void)handlePortMessage:(NSPortMessage *)message{

    NSLog(@"VC == %@",[NSThread currentThread]);
    NSLog(@"从person 传过来一些信息:");
    NSArray *messageArr = [message valueForKey:@"components"];
    NSString *dataStr   = [[NSString alloc] initWithData:messageArr.firstObject  encoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSLog(@"传过来一些信息 :%@",dataStr);
    NSPort  *destinPort = [message valueForKey:@"remotePort"];
    if(!destinPort || ![destinPort isKindOfClass:[NSPort class]]){
        NSLog(@"传过来的数据有误");
        return;
    }

    NSData *data = [@"VC收到!!!" dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    NSMutableArray *array  =[[NSMutableArray alloc]initWithArray:@[data,self.myPort]];

    // 非常重要,如果你想在Person的port接受信息,必须加入到当前主线程的runloop
    [[NSRunLoop currentRunLoop] addPort:destinPort forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    NSLog(@"Thread == %@",[NSThread currentThread]);
    BOOL success = [destinPort sendBeforeDate:[NSDate date]
                                        msgid:10010
                                   components:array
                                         from:self.myPort
                                     reserved:0];
    NSLog(@"%d",success);
}
@end
复制代码

截屏2021-06-18 下午3.01.00.png

多线程的实现方式

多线程的四种实现方式分别是：pthread，NSThread，GCD， NSOperation。

image.png

下面通过代码来看一下这四种实现方式：

pthread

/**
     pthread_create 创建线程
     参数：
     1\. pthread_t：要创建线程的结构体指针，通常开发的时候，如果遇到 C 语言的结构体，类型后缀 `_t / Ref` 结尾
     同时不需要 `*`
     2\. 线程的属性，nil(空对象 - OC 使用的) / NULL(空地址，0 C 使用的)
     3\. 线程要执行的`函数地址`
     void *: 返回类型，表示指向任意对象的指针，和 OC 中的 id 类似
     (*): 函数名
     (void *): 参数类型，void *
     4\. 传递给第三个参数(函数)的`参数`

     返回值：int
     0          创建线程成功！成功只有一种可能
     非 0       创建线程失败的错误码，失败有多种可能！
 */

pthread_t threadId = NULL;
char *cString = "HelloWorld";
int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
if (result == 0) {
    NSLog(@"成功");
} else {
    NSLog(@"失败");
}

void *pthreadTest(void *para){
    // __bridge 将 C 语言的类型桥接到 OC 的类型
    NSString *name = (__bridge NSString *)(para);
    NSLog(@"===>%@ %@", [NSThread currentThread], name);
    return NULL;
}   
复制代码

2.NSThread

[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadTest) toTarget:self withObject:nil];
复制代码

GCD

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        [self threadTest];
});
复制代码

NSOperation

[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
        [self threadTest];
}];

- (void)threadTest{
    NSLog(@"begin");
    NSLog(@"over");
}

未完待续......

作者：Henry_Jeannie
链接：https://juejin.cn/post/6975035560607875080
来源：掘金

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