iOS底层原理 - 多线程原理

章前回顾

上章我们了解了锁的一些知识，线程安全需要锁的协助。这章我们探索一下多线程原理篇；

初识

周知，了解多线程首先需要捋一下线程、进程、同步、异步、串行、并行、死锁等概念与关系。

多线程原理

线程：1、进程的基本执行单元，一个进程的所有任务必须需要在线程中执行；2、进程中至少需要一条线程；3、程序启动默认创建一条线程，创建的线程为主线程（UI线程）;

进程：1、每个进程是独立的，拥有独立的内存空间；2、进程是指在系统正在运行的一个程序；

	线程	进程	对比
地址空间	一个进程内线程地址共享	每个进程都有一个独立内存地址	各有优势
创建、销毁、切换	切换简单，速度快	切换复杂，速度慢	线程占优
可靠性	一个线程挂掉会导致整个进程挂	每个进程都是独立的，互不影响	进程健壮
效率	占用内存小，切换简单，CPU利用率高	占用内存空间较大，切换复杂，CPU利用率低	线程占优
分布	适用于多核分布式	适用多核、多机分布	进程占优

进程与线程的关系：

可以把iOS系统看做一个商场,进程(APP)则是商场中的店铺,线程就是类似店铺雇佣的员工。

进程之间相互独立（奶茶店、果汁店）：

·奶茶店看不了果汁店的账目（访问不了别的进程的内存）

·果汁店用不了奶茶店的波霸（进程间的资源是相互独立的）

进程至少要一条线程：

·店铺里至少需要一名员工（进程至少有一个线程）

·店铺早上开店的员工（进程中的主线程）

进程/线程崩溃

·奶茶店倒闭了，并不影响果汁店营业（进程崩溃不会对其他进程有影响）

·奶茶店的收银员不干了导致店铺无法正常营业（线程崩溃进而影响进程瘫痪）

同步：在当前线程中执行任务，不具备创新新线程能力；

异步：在新线程中执行任务，能够开启新线程；

串行：一个任务执行完毕执行下个任务，按顺序执行；

并行：多个任务同时（并发）执行；

主队列：特殊的串行队列，在主线程执行；

同步函数：不会创建新线程，当前线程执行，执行完毕后才能继续往下执行任务，其中一条任务没执行完成，会卡住改函数，不会往下执行；

异步函数：创建新线程，不要求当前线程执行完成，会等上个任务执行完后再执行；

串行队列：任务按顺序执行，一个任务一个任务执行；

并行队列：多个任务同时执行，异步函数下有效，开启多个线程；

	串行队列	并行队列	主队列
同步（sync）	·没有开启新线程；·串行执行任务（卡住当前队列）	·没有开启新线程；·串行执行任务（有序）	·没有开启新线程；·串行执行任务（死锁）
异步（async）	·有开启新线程；·串行执行任务(无序)	·有开启新线程；·并发执行任务(无序)	·有开启新线程；·串行执行任务(无序)

死锁：

具有队列的特点，FIFO；

产生死锁的情况以及解决方案：

主队列同步函数，会产生死锁；解决方案：主队列（mainQueue）异步，实现串行执行
串行队列使用同步函数，会产生死锁，即使用async函数往串行队列中添加任务；解决方案：需要按顺序执行：并行队列加入同步函数执行/串行队列异步执行；需要并发执行：并行队列中加入异步函数执行

栅栏函数：

特点：控制任务的执行顺序。(栅栏函数之前的执行完毕之后，执行栅栏函数，然后在执行栅栏函数之后的)

在并行队列实现异步函数里，顺序是不固定的，加入栅栏函数可以使其按顺序执行，或者在串行队列异步函数也可以实现控制执行顺序

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.xx.def", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
dispatch_async(queue, ^{
    for (NSInteger i =0; i < 3; i++) {
        NSLog(@"%ld TestLine1 %@",i,[NSThread currentThread]);
    }
});

dispatch_async(queue, ^{
    for (NSInteger i =0; i < 3; i++) {
        NSLog(@"%ld TestLine2 %@",i,[NSThread currentThread]);
    }
});

dispatch_barrier_async(queue, ^{
    NSLog(@"这是个栅栏函数");
});

dispatch_async(queue, ^{
    for (NSInteger i =0; i < 3; i++) {
        NSLog(@"%ld TestLine3 %@",i,[NSThread currentThread]);
    }
});

dispatch_async(queue, ^{
    for (NSInteger i =0; i < 3; i++) {
        NSLog(@"%ld TestLine4 %@",i,[NSThread currentThread]);
    }
});
结果：
2020-04-05 00:20:27.690434+0800 Test-OC[31185:1550291] 0 TestLine2 <NSThread: 0x6000005e3a00>{number = 4, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.690482+0800 Test-OC[31185:1550290] 0 TestLine1 <NSThread: 0x6000005f2340>{number = 3, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.690693+0800 Test-OC[31185:1550290] 1 TestLine1 <NSThread: 0x6000005f2340>{number = 3, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.690696+0800 Test-OC[31185:1550291] 1 TestLine2 <NSThread: 0x6000005e3a00>{number = 4, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.690827+0800 Test-OC[31185:1550290] 2 TestLine1 <NSThread: 0x6000005f2340>{number = 3, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.690936+0800 Test-OC[31185:1550291] 2 TestLine2 <NSThread: 0x6000005e3a00>{number = 4, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.691053+0800 Test-OC[31185:1550291] 这是个栅栏函数
2020-04-05 00:20:27.691229+0800 Test-OC[31185:1550291] 0 TestLine3 <NSThread: 0x6000005e3a00>{number = 4, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.691950+0800 Test-OC[31185:1550290] 0 TestLine4 <NSThread: 0x6000005f2340>{number = 3, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.692283+0800 Test-OC[31185:1550291] 1 TestLine3 <NSThread: 0x6000005e3a00>{number = 4, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.692670+0800 Test-OC[31185:1550290] 1 TestLine4 <NSThread: 0x6000005f2340>{number = 3, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.692802+0800 Test-OC[31185:1550291] 2 TestLine3 <NSThread: 0x6000005e3a00>{number = 4, name = (null)}
2020-04-05 00:20:27.692989+0800 Test-OC[31185:1550290] 2 TestLine4 <NSThread: 0x6000005f2340>{number = 3, name = (null)}

dispatch_group_notify

应用类似场景：用户下载一个图片，图片很大，需要分成很多份进行下载，使用GCD应该如何实现？使用什么队列？下载完后统一刷新UI

使用Dispatch Group追加Block到Gobal Group Queue，最后使用group_notify监听执行完所有group block后执行notify 放入主线程的block；

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);
dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
dispatch_group_async(group, queue, ^{ /*加载图片1 */ });
dispatch_group_async(group, queue, ^{ /*加载图片2 */ });
dispatch_group_async(group, queue, ^{ /*加载图片3 */ }); 
dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{// 合并图片 });

多线程的实现（技术方案）

更多详细使用可以参考：多线程详解

pthread

优点：

· C语言，适用Unix/Linux/Windows等系统

·可跨平台，可移植性，轻量级

缺点：

·需要手动管理生命周期

·api较为复杂，适用难度较大
NSThread

优点：

· 使用面向对象化

·易用，可直接操作线程对象

缺点：

·需要手动管理生命周期
GCD

优点：

· 基于C语言，自动管理线程生命周期

·多核并行运算的解决方案

·使用简易，性能优异，经常使用

缺点：

·在并发队列中，顺序控制相对复杂。
NSOperation

优点：

· 基于GCD面向对象的OC封装，更加面向对象化，自动管理线程生命周期

·可以添加线程依赖，控制线程总数，最大并发数

·监听线程完成情况

·NSOPeration是一个抽象的基类，表示一个独立的运算单元。可以为子类提供更有效且线程安全的建立状态，优先级，线程总数，依赖关系和取消等操作

缺点：

·使用面向对象，创建使用起来相对GCD更加复杂些，在不考虑线程控制，依赖关系下优先选择GCD；

多线程的生命周期

线程的生命周期分为5部分：新建，准备就绪，运行（执行），阻塞，销毁

生命周期流程图：

[图片上传中...(线程生命周期联想图.png-fa417b-1600399385620-0)]

新建：实例化新线程
准备就绪：向线程对象发送start消息，将线程对象加入线程池可调度状态，等待CUP调度
运行（执行）：CUP在可调度线程池中执行线程任务；当前任务执行完毕，CUP会进入一个就绪状态，即进入短暂的等待期，在此期间如果有新任务需要执行，则执行新任务，否则该线程会销毁。等有下个任务执行，会开启新的线程执行。
阻塞：当满足某个预定条件时，可以使用锁或者休眠，来阻塞线程执行；sleepForTimeInterval（休眠指定时长）sleepUntilDate（休眠到指定日期），@synchronized(object)（互斥锁）。
销毁：正常销毁：线程执行完毕。非正常销毁：满足某个条件，线程内部终止执行或者主线程终止线程对象；

线程生命周期联系思维导图：

线程生命周期联想图.png

标注：图片等资源参考自多线程原理

线程池实现的原理

线程池工作原理流程图：

线程池工作原理流程图.png

线程与RunLoop关系

runLoop和线程是一一对应的关系，一个runLoop对应一个核心线程。核心：runLoop可以嵌套多个多个线程，但是核心只有一个。关系保存在全局字典中。
在主线程中，在程序启动时，runLoop就默认创建了。
在子线程中，runLoop是懒加载状态，只有使用时才会创建；子线程中使用定时器需注意：确保子线程runLoop的创建，不然定时器不会开启；
runLoop是用来管理线程的，当线程的runLoop被开启，线程在执行完毕后会进入休眠状态，等待新任务执行才会被唤醒
runLoop在主线程被开启时创建，线程结束时被销毁。

线程安全介绍看官们可以移位：iOS多线程安全-锁