多线程

前言

今天我们主要看看关于线程与进程的一些面试相关的知识点，以及引发出来的多线程的相关知识点。

1. 线程、进程的概念

百度百科：

  • 线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。
  • 进程 （Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

2. 线程、进程的关系

  1. 归属关系：一个进程必须至少有一条线程，因为进程的所有任务都在线程中执行；
  2. 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;
    • 线程没有地址空间，线程包含在进程地址空间中。
  3. 资源分配：同一进程内的线程共享本进程内的资源（如内存、I/O、cpu等），但进程之间资源是相互独立的;
  4. 健壮性：进程崩溃后，保护模式下不会对其他进程产生影响，但一个线程崩溃会导致整个进程都死掉。所以多进程比多线程健壮。
  5. 执行过程：每个独立的进程都有一个程序运行入口和顺序执行序列。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。
  6. 切换时，

3. 时间片 & 线程成本

3.1 时间片

CPU在多个任务之间进行快速切换，这个时间间隔就是时间片。

  1. 单核CPU
    • 同一时间，CPU只能处理1个线程。
  2. 多核CPU
    • 多线程同时执行 --> 需要多个CPU的处理器（多核）才可以做到。
    • 理论上，只要CPU在多个线程切换的足够快（时间片足够小），就可以做出同时执行的假象。
  3. 如果线程数非常多，CPU在多个线程之间切换，会消耗大量CPU资源，每个线程被调度的次数会降低，线程的执行效率会降低。
3.2 线程成本

根据官网描述，创建一个线程大概需要的成本 👇

内核数据结构 1Kb
堆空间(iOS主线程：1MB，OSX主线程：8MB、其他辅助线程：512KB)
创建时间 90ms

4. 线程的生命周期

  1. 线程新建(new)出来之后，并不会立即执行，而是进入一个就绪(runnable)状态；
  2. 线程的运行(running)依赖CPU的调度，这时线程才开始执行任务；注意，如果当前的线程已经在运行(running)中，那么CPU会从可调度线程池中调用其它线程，去执行该任务。
  3. 运行中(running)的线程，被调用sleep或等待同步锁时，会进入阻塞(block)状态；当sleep结束或获取同步锁时，阻塞(block)状态就会解除，恢复就绪(runnable)状态；
  4. 运行中(running)的线程，在任务执行完或被强制退出时，线程自动进入Dead销毁。

线程池调度

CPU从线程池中调度线程是按照下图的流程进行的👇


线程和RunLoop的关系

  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。
  2. runloop是来管理线程的，当线程的runloop被开启后，线程会在执行完任务后进入休眠状态，有了任务就会被唤醒去执行任务。
  3. runloop在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁。
  4. 主线程runloop在程序一启动就默认创建好了。
  5. 子线程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。

5. 多线程

以上大致讲解了线程和进程的概念以及它俩之间的关系，然后具体讲解了线程的生命周期和线程池的调度策略，此时我们明白了CPU在线程池中调度一个线程去执行任务的完整流程。当然，应用程序（例如App）本身的运行，肯定不止一个线程，而是多个线程串行或并发去执行多个任务，那么多线程执行任务又有什么意义呢？

5.1 多线程的意义

  • 优点：
  1. 适当提高执行效率
  2. 适当提高资源的利用率(CPU、内存等)
  3. 线程上的任务执行完后，线程会自动销毁
  • 缺点：
  1. 开启线程需要占用一定的内存空间(参照下面 第5点 线程成本 )
  2. 开启大量线程，会占用大量内存空间，降低程序性能
  3. 线程越多，CPU在调度线程上的开销越大
  4. 程序设计更加复杂（如线程间的通讯，多线程的数据共享等）

5.2 多线程技术方案

5.2.1 pthread

pthread是一套通用的多线程 API，可以在Unix/ Linux / Windows 等系统跨平台使用，使用 C 语言编写，需要程序员自己管理线程的生命周期，使用难度较大，我们在 iOS 开发中几乎不使用。
示例👇

#import <pthread.h>

- (void)createThread {
    // 1. 创建线程：定义一个pthread_t类型变量
    pthread_t thread;
    // 2. 开启线程：执行任务
    //  参数1： 要开的线程变量
    //  参数2：线程的属性
    //  参数3：子线程的执行函数（任务）
    //  参数4：函数入参
    pthread_create(&thread, NULL, run, @"入参");
    // 3. 设置子线程的状态设置为detached，该线程运行结束后会自动释放所有资源
    pthread_detach(thread);
}

void * run(void * param) {
    NSLog(@"%@ %@", [NSThread currentThread], param);
    return NULL;
}

运行结果👇

pthread的相关api
  1. pthread_create()： 创建一个线程
  2. pthread_exit()： 终止当前线程
  3. pthread_cancel()： 中断另外一个线程的运行
  4. pthread_join()：阻塞当前的线程，直到另外一个线程运行结束
  5. pthread_attr_init()：初始化线程的属性
  6. pthread_attr_setdetachstate()：设置脱离状态的属性（决定这个线程在终止时是否可以被结合）
  7. pthread_attr_getdetachstate()：获取脱离状态的属性
  8. pthread_attr_destroy()： 删除线程的属性
  9. pthread_kill()： 向线程发送一个信号
5.2.2 NSThread

NSThread是苹果官方提供的，使用起来比pthread更加面向对象，简单易用，可直接操作线程对象，需要自己管理线程生命周期。实际开发中偶尔使用。
示例👇

-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event{
    [self createThread1];
//    [self createThread2];
//    [self createThread3];
}

//MARK: - 创建线程
//创建线程 (手动启动)
-(void)createThread1{
    // 实例化一个线程对象
    NSThread *thread=[[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(run1) object:nil];
    // 线程名称
    thread.name = @"Thread1Name";
    
    /**
     NSQualityOfServiceUserInteractive = 0x21, 用户交互         - 最高（21）
     NSQualityOfServiceUserInitiated = 0x19,   用户马上执行的事件 - 较高(19)
     NSQualityOfServiceUtility = 0x11,         普通任务         - 普通（11）
     NSQualityOfServiceBackground = 0x09,      后台任务         - 较低 (9)
     NSQualityOfServiceDefault = -1            常规            - 最低
     */
    
    // 线程优先级
    thread.qualityOfService = NSQualityOfServiceDefault;
    // 线程启动
    [thread start];
}

//创建线程 (自动启动)
-(void)createThread2{
    //创建线程后自动启动线程
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run2:) toTarget:self withObject:@"createThread2"];
}

//创建线程 (自动启动)
-(void)createThread3{
    //隐式创建线程并启动
    [self performSelectorInBackground:@selector(run2:) withObject:@"createThread3"];
}

//MARK: - 耗时操作
- (void)run1{
    for (int i=0; i<200; i++) {
        NSLog(@"%d----%@",i,[NSThread currentThread]);
    }
}

- (void)run2:(NSString*)param{
    for (int i=0; i<200; i++) {
        NSLog(@"%d----%@---%@",i,[NSThread currentThread],param);
    }
}

创建：

  1. createThread1：手动启动线程，可以配置线程属性（名称、优先级）；
  2. createThread2：自动启动线程，快捷便利，不支持配置线程属性;
  3. createThread3：隐式创建线程并启动，快捷便利，不支持配置线程属性;

任务：
run1无参数，run2带参数

NSThread相关api👇

请参考官方文档

经典的售票案例
@interface ViewController ()
@property (nonatomic, assign) NSInteger ticketSurplusCount; // 剩余票数
@property (nonatomic, strong) NSThread *ticketSaleWindow1; // 线程1 
@property (nonatomic, strong) NSThread *ticketSaleWindow2; // 线程2
@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self initTicketStatusSave];
}

/**
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusSave {
    // 1. 设置剩余火车票为 50
    self.ticketSurplusCount = 50;
    
    // 2. 设置北京火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow1.name = @"北京火车票售票窗口";
    
    // 3. 设置上海火车票售卖窗口的线程
    self.ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc]initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    self.ticketSaleWindow2.name = @"上海火车票售票窗口";
    
    // 4. 开始售卖火车票
    [self.ticketSaleWindow1 start];
    [self.ticketSaleWindow2 start];
}

/**
 * 售卖火车票(线程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {
        // 互斥锁
        @synchronized (self) {
            //如果还有票，继续售卖
            if (self.ticketSurplusCount > 0) {
                self.ticketSurplusCount --;
                NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票数：%ld 窗口：%@", self.ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
                [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
            }
            //如果已卖完，关闭售票窗口
            else {
                NSLog(@"所有火车票均已售完");
                break;
            }
        }
    }
}

以上示例是通过2个子线程出售火车票，其中通过@ synchronized互斥锁保证，每次只有一个线程去减少票的库存。

5.2.3 GCD

GCD(Grand Central Dispatch)，对线程操作进行了封装，加入了很多新的特性，内部进行了效率优化，提供了简洁的C语言接口，使用简单高效，是苹果推荐的方式，使用频率很高。
示例👇

#pragma mark - GCD演练
/**
 并发队列，同步执行
 */
- (void)gcdDemo4 {
    // 1. 队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("itcast", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

    // 2. 同步执行任务
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_sync(queue, ^{
            NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
        });
    }
}

/**
 并发队列，异步执行
 */
- (void)gcdDemo3 {
    // 1. 队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("itcast", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);

    // 2. 异步执行任务
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
        });
    }

}

/**
 串行队列，异步执行
 */
- (void)gcdDemo2 {
    // 1. 队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("itcast", NULL);

    // 2. 异步执行任务
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        dispatch_async(queue, ^{
            NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
        });
    }
}

/**
 串行队列，同步执行(开发中非常少用)
 */
- (void)gcdDemo1 {

    // 1. 队列
//    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("icast", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("icast", NULL);
    NSLog(@"执行前----");

    // 执行任务
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        NSLog(@"调度----");

        // 在队列中"同步"执行任务，串行对列添加同步执行任务，会立即被执行
        dispatch_sync(queue, ^{
            NSLog(@"%@ %d", [NSThread currentThread], i);
        });
    }
    NSLog(@"for 后面");
}
5.2.4 NSOperation

NSOperation是基于GCD的一个抽象基类，将线程封装成要执行的操作，不需要管理线程的生命周期和同步，但比GCD可控性更强。例如可以加入操作依赖（addDependency）、设置操作队列最大可并发执行的操作个数（setMaxConcurrentOperationCount）、取消操作（cancel）等。

因为NSOperation是抽象基类，若要使用，要么直接继承NSOperation自定义子类，要么就使用它的两个派生子类：NSBlockOperation和NSInvocationOperation，它们的区别在于：前者执行指定的方法，后者执行代码块，相对来说后者更加灵活易用。通常配合NSOperationQueue加入队列中执行任务。
示例👇

- (void)opDemo2 {
    NSOperationQueue *q = [[NSOperationQueue alloc] init];
    [q addOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"耗时操作 %@", [NSThread currentThread]);

        [[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{
            NSLog(@"更新UI %@", [NSThread currentThread]);
        }];
    }];
}

- (void)opDemo1 {
    NSInvocationOperation *op = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(downloadImage:) object:@"Invocation"];

    // start 会立即在当前线程执行 selector 方法
    //    [op start];

    // 将操作添加到队列，会自动异步执行
    NSOperationQueue *q = [[NSOperationQueue alloc] init];
    [q addOperation:op];
}

- (void)downloadImage:(id)obj {
    NSLog(@"%@ %@",  [NSThread currentThread], obj);
}

7. 互斥锁 & 自旋锁

7.1 互斥锁

  1. 保证锁内代码，同一时间只有一条线程能够执行；
  2. 互斥锁的锁定范围应该尽量小，锁定范围越大，效率越差。
    参数：
  3. 能够加锁的任意NSObject对象。
  4. 锁对象要保证所有线程都能够访问。
  5. 如果代码只有一个地方需要加锁，大多都使用self，这样可以避免单独再创建一个锁对象。

7.2 自旋锁 OSSpinLock

自旋锁与互斥锁不一样，当一个线程获得锁之后，其他线程将会一直循环在那里查看是否该锁被释放。所以，此锁比较适用于锁的持有者保存时间较短的情况下。

优先级反转的问题

iOS 中，系统维护了 5 个不同的线程优先级/QoS: background，utility，default，user-initiated，user-interactive。高优先级线程始终会在低优先级线程前执行，一个线程不会受到比它更低优先级线程的干扰。这种线程调度算法会产生潜在的优先级反转问题，从而破坏了 spin lock。
具体来说，如果一个低优先级的线程获得锁并访问共享资源，这时一个高优先级的线程也尝试获得这个锁，它会处于 spin lock 的忙等状态从而占用大量 CPU。此时低优先级线程无法与高优先级线程争夺 CPU 时间，从而导致任务迟迟完不成、无法释放 lock。这并不只是理论上的问题，libobjc 已经遇到了很多次这个问题了，于是苹果的工程师停用了 OSSpinLock。

具体文章可以戳 不再安全的 OSSpinLock。

8. atomic & nonatomic

  • nonatomic非原子属性
  • atomic 原子属性(线程安全)，针对多线程设计的，是默认值。atomic能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)，atomic本身就有一把锁(自旋锁)，单写多读:单个线程写入，多个线程可以读取。
  • atomic可保证线程安全，但需要消耗大量的资源；nonatomic是非线程安全，适合内存小的移动设备。
iOS 开发的建议

所有属性都声明为nonatomic
尽量避免多线程抢夺同一块资源， 尽量将加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务器端处理，减小移动客户端的压力。

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