什么是多线程?

多线程是一个比较轻量级的方法来实现单个应用程序内多个代码执行路径。在系统级别内,程序并排执行,系统分配到每个程序的执行时间是基于该程序的所需时间和其他程序的所需时间来决定的。然而在每个应程序的内部,存在一个或多个执行线程,它同时或在一个几乎同时发生的方式里执行不同的任务。

无论是哪种语言开发的程序最终往往转换成汇编语言进而解释成机器码来执行。但是机器码是按顺序执行的,一个复杂的多步操作只能一步步按顺序逐个执行。改变这种状况可以从两个角度出发:对于单核处理器,可以将多个步骤放到不同的线程,这样一来用户完成UI操作后其他后续任务在其他线程中,当CPU空闲时会继续执行,而此时对于用户而言可以继续进行其他操作;对于多核处理器,如果用户在UI线程中完成某个操作之后,其他后续操作在别的线程中继续执行,用户同样可以继续进行其他UI操作,与此同时前一个操作的后续任务可以分散到多个空闲CPU中继续执行(当然具体调度顺序要根据程序设计而定),及解决了线程阻塞又提高了运行效率。

当用户播放音频、下载资源、进行图像处理时往往希望做这些事情的时候其他操作不会被中断或者希望这些操作过程中更加顺畅。在单线程中一个线程只能做一件事情,一件事情处理不完另一件事就不能开始,这样势必影响用户体验。早在单核处理器时期就有多线程,这个时候多线程更多的用于解决线程阻塞造成的用户等待(通常是操作完UI后用户不再干涉,其他线程在等待队列中,CPU一旦空闲就继续执行,不影响用户其他UI操作),其处理能力并没有明显的变化。如今无论是移动操作系统还是PC、服务器都是多核处理器,于是“并行运算”就更多的被提及。一件事情我们可以分成多个步骤,在没有顺序要求的情况下使用多线程既能解决线程阻塞又能充分利用多核处理器运行能力。

下图反映了一个包含8个操作的任务在一个有两核心的CPU中创建四个线程运行的情况。假设每个核心有两个线程,那么每个CPU中两个线程会交替执行,两个CPU之间的操作会并行运算。单就一个CPU而言两个线程可以解决线程阻塞造成的不流畅问题,其本身运行效率并没有提高,多CPU的并行运算才真正解决了运行效率问题,这也正是并发和并行的区别。当然,不管是多核还是单核开发人员不用过多的担心,因为任务具体分配给几个CPU运算是由系统调度的,开发人员不用过多关心系统有几个CPU。开发人员需要关心的是线程之间的依赖关系,因为有些操作必须在某个操作完成完才能执行,如果不能保证这个顺序势必会造成程序问题。

多线程原理

有些程序是一条直线,起点到终点;有些程序是一个圆,不断循环,直到将它切断。直线的如简单的Hello World,运行打印完,它的生命周期便结束了,像昙花一现那样;圆如操作系统,一直运行直到你关机。
一个运行着的程序就是一个进程或者叫做一个任务,一个进程至少包含一个线程,线程就是程序的执行流。Mac和iOS中的程序启动,创建好一个进程的同时, 一个线程便开始运行,这个线程叫主线程。主线程在程序中的地位和其他线程不同,它是其他线程最终的父线程,且所有界面的显示操作即AppKit或 UIKit的操作必须在主线程进行。
系统中的每一个进程都有自己独立的虚拟内存空间,而同一个进程中的多个线程则共用进程的内存空间。每创建一个新的线程,都需要一些内存(如每个线程有自己的Stack空间)和消耗一定的CPU时间。另外当多个线程对同一个资源出现争夺的时候需要注意线程安全问题。

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