iOS底层-多线程原理

前言

在开发中，由于一些业务需求，我们不得不使用多线程来实现。那么多线程的原理是怎样的呢，和进程又是怎样的关系？本文将对多线程进行归纳总结下。

线程和进程

• 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，必须至少有一条线程

  • 程序启动会默认开启一条线程，也就是我们常说的主线程也称为UI线程

• 进程

  • 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，可以理解为手机上的一个app

  • 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

  • 通过活动监视器可以查看MAC系统中所有开启的进程

多线程的意义

• 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，内容）

  • 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，每一个线程都占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在调用线程上的开销就越大

  • 多线程使程序设计更加复杂，比如线程间的通信、多线程的数据共享

多线程的原理

多线程是CPU在单位时间的时间片内来回调度和切换，构成了很多任务同时进行的假象

• 单线程：

  • (单核CPU)同一时间，CPU只能处理一个线程，换言之就是同一时间只有一个线程在执行

• 多线程：

  • CPU快速的在多个线程之间的切换，CPU调度线程的时间足够快，就造成了多线程的同时执行效果

• 如果线程数非常多：

  • CPU会在N个线程之间切换，消耗大量的CPU资源，每个线程被调度的次数就降低

线程的生命周期

多线程时CPU在多个线程之间来回切换，也就是有状态之分，当一个线程在被调度时，其他线程是的状态怎样的呢？于是就引出了线程的生命周期

• 线程的生命周期分为5步：新建 -> 就绪 -> 运行 -> 阻塞 -> 死亡，如下图：

• 新建：

  • 使用new实例化一个线程对象，但该线程对象还未使用start()方法启动线程这个阶段，该阶段只在内存的堆中为该对象的实例变量分配了内存空间，但线程还无法参与抢夺CPU的使用权。

• 就绪：

  • 是指一个线程对象使用start()方法将线程加入可调度线程池后就进入就绪阶段，等待CPU来调度后才会执行

• 运行：

  • 当CPU开始调度处于就绪状态的线程时，此时线程才得以真正执行，即进入到运行状态。线程要想进入运行状态执行，首先必须先处于处于就绪状态中。运行状态可能和就绪状态来回切换，这个和CPU调度有关。

• 阻塞：

  • 处于运行状态中的线程由于某种原因例如(调用sleep、等待同步锁、从可调度线程池移出等)，此时进入阻塞状态。

  • 例如：sleepForTimeInterval，sleepUntilDate函数，同步锁synchronized等可使线程进入阻塞状态

• 死亡：

  • 正常死亡：线程执行完毕。

  • 非正常死亡：当线程因异常而退出，或者调用exit

可调度线程池

• 工作原理是：

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1. 如果都在执行状态，则交给饱和策略处理。

1. 如果饱满，则会判断线程是否都处于执行状态，如果没有，则安排非核心线程去执行

1. 如果都在执行，就会检查工作队列是否饱满，如果未饱满，就会将任务存储在工作队列

1. 有新任务来时，会先判断线程池是否都在执行任务，如果没到就会创建线程执行任务

饱和策略

• 饱和策略主要有4种：

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1. DisCardPolicy：直接丢弃任务

1. DisOldestPolicy：丢掉等待最久的任务

1. CallerRunsPolicy：将任务回退到调用者

1. AbortPolicy：直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行

这四种拒绝策略均由RejectedExecutionHandler接口实现

任务执行的影响因素

任务执行的影响因素通常有4种：

• CPU

• 任务的复杂度

• 优先级

• 线程状态

举例

就例如排两队买奶茶：

• 如果只有一个服务员，肯定速度比较慢，如果有两个，每个人给一队处理，那就明显快很多，这就相当于cpu

• 如果一队第一个人之买一杯，另一队正在买的人要十杯，那肯定一杯的先买完，也就是任务复杂度

• 如果两队的第一人都在买，且都买一杯，但其中一个是VIP，那就VIP优先处理，也就是优先级

• 如果其中一个服务员，不小心将即将处理好的奶茶打翻了，或者临时接了一个电话，那么也影响了速度，这个就是线程状态因素

优先级

IO密集型的线程特点是频繁等待，而CPU密集型则很少等待，所以CPU密集型的优先级要高，但优先级提高后也不一定执行，只是比低优先级的线程更可能运行，详情请查看 Threading Programming Guide

• 可以通过NSThread中的setThreadPriority:，或者POSIX的pthread_setschedparam方法来设置优先级

线程安全

在使用多线程时，往往会出现资源抢夺问题，这时就需要加锁来解决线程安全的问题，也就是将各个线程对同一个数据的访问同步(Synchronization)。所谓同步，即指在一个线程访问数据未结束的时候，其他线程不得对同一个数据进行访问，如此，对数据的访问被原子化了。下面主要介绍：自旋锁、互斥锁

自旋锁

• 自旋锁是计算机科学用于多线程同步的一种锁，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等（忙碌等待）。一旦获取了自旋锁，线程会一直持有该锁，直至显式释放自旋锁。

互斥锁

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1. 保证锁内的代码在同一时间只有一条线程能够执行

1. 互斥锁的锁定范围应该尽量小，锁定范围越大效率越差

• 锁对象一定要保证所有的线程都能够访问，如果代码中只有一个地方需要加锁大多都是用self，这样可以避免单独创建一个锁对象

1. 互斥锁能够加锁任意NSObject对象

业务场景：1. 当任务比较简单比较小的任务时，选择自旋锁. 2. 当任务比较庞大繁琐时，选择互斥锁

在使用属性时，我们用到了atomic和nonatomic，一个是线程安全的，另一个是不安全的，那么他们是加锁了么，接下来去研究下

atomic和nonatomic

• nonatomic是非原子属性，非线程安全，适合内存小的移动设备

• atomic是原子属性(线程安全)，针对多线程设计的默认值，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，这个特性也就是多读单写

• atomic本身就有一把锁(自旋锁)

• 我们知道属性在底层会去查找setter和getter方法，在objc4-812源码中搜索objc_setProperty：

核心方法是reallySetProperty方法，然后进入查看：

• 当atomic时，会调用PropertyLocks加一个spinlock_t类型的自旋锁，所以atomic是一个bool值不是锁

• iOS开发的建议

  • 所有的属性都声明为nonatomic

  • 尽量避免多线程抢夺同一资源

  • 尽量讲加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务端处理，减小移动客户端的压力

线程和runloop关系

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1. 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，是因为runloop是可以嵌套的，但是核⼼的只能有⼀个，他们的关系保存在⼀个全局的字典⾥

1. runloop是来管理线程的，当线程的runloop被开启后，线程回在执行完任务后进入休状态，有了任务就会被唤醒去执行任务

1. runloop在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁

1. 对于主线程来说，runloop在程序一启动就默认创建好了

1. 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创建，所以在子线程时用定时器要注意：确保子线程的runloop被创建，不然定时器就不会回调

多线程的实现方案

iOS多线程方案如下：

作者：无双3