iOS多线程 - pthread、NSThread

本文用来介绍 iOS 多线程中，pthread、NSThread 的使用方法及实现。
第一部分：pthread 的使用、其他相关方法。
第二部分：NSThread 的使用、线程相关用法、线程状态控制方法、线程之间的通信、线程安全和线程同步，以及线程的状态转换相关知识。

第一部分：pthread

1. pthread简介

pthread 是一套通用的多线程的 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 pthread，但是还是来可以了解一下的。

2. pthread使用方法

  1. 首先要包含头文件#import <pthread.h>
  2. 其次要创建线程，并开启线程执行任务
// 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
pthread_create(&thread, NULL, run, NULL);
// 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)    // 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
{
NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);

return NULL;
}
  • pthread_create(&thread, NULL, run, NULL); 中各项参数含义：
    • 第一个参数&thread是线程对象，指向线程标识符的指针
    • 第二个是线程属性，可赋值NULL
    • 第三个run表示指向函数的指针(run对应函数里是需要在新线程中执行的任务)
    • 第四个是运行函数的参数，可赋值NULL

3. pthread 其他相关方法

  • pthread_create() 创建一个线程
  • pthread_exit() 终止当前线程
  • pthread_cancel() 中断另外一个线程的运行
  • pthread_join() 阻塞当前的线程，直到另外一个线程运行结束
  • pthread_attr_init() 初始化线程的属性
  • 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）
  • pthread_attr_getdetachstate() 获取脱离状态的属性
  • pthread_attr_destroy() 删除线程的属性
  • pthread_kill() 向线程发送一个信号

pthread是基于C语言辨析的，使用难度大且几乎不使用，这里只做简单介绍不做深入探究。

第二部分：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，可以直接操作线程对象。不过也需要需要程序员自己管理线程的生命周期(主要是创建)，我们在开发的过程中偶尔使用 NSThread。比如我们会经常调用[NSThread currentThread]来显示当前的进程信息。

1. NSThread 创建、启动线程

  • 先创建线程，再启动线程
// 1. 创建线程
NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
// 2. 启动线程
[thread start];    // 线程一启动，就会在线程thread中执行self的run方法

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
    NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}
  • 创建线程后自动启动线程（隐式创建并启动线程）
// 1. 创建线程后自动启动线程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];

// 新线程调用方法，里边为需要执行的任务
- (void)run {
    NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}

2. NSThread 线程相关用法

// 获得主线程
+ (NSThread *)mainThread;

// 判断是否为主线程(对象方法)
- (BOOL)isMainThread;

// 判断是否为主线程(类方法)
+ (BOOL)isMainThread;

// 获得当前线程
NSThread *current = [NSThread currentThread];

// 线程的名字——setter方法
- (void)setName:(NSString *)n;

// 线程的名字——getter方法
- (NSString *)name;

3. NSThread 线程状态控制方法

  • 启动线程方法
- (void)start;
// 线程进入就绪状态 -> 运行状态。当线程任务执行完毕，自动进入死亡状态
  • 阻塞（暂停）线程方法
+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;
// 线程进入阻塞状态
  • 强制停止线程
+ (void)exit;
// 线程进入死亡状态

4. NSThread 线程之间的通信

在开发中，我们经常会在子线程中进行耗时操作，操作结束后再回到主线程去刷新UI。这就涉及到了子线程和主线程之间的通信。先来了解一下官方关于NSThread的线程间通信的方法：

// 在主线程上执行操作
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray<NSString *> *)array;
// equivalent to the first method with kCFRunLoopCommonModes

// 在指定线程上执行操作
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray *)array NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 在当前线程上执行操作，调用 NSObject 的 performSelector:相关方法
- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;

我们通过一个经典的下载图片的DEMO来展示线程间的通信。具体步骤如下：

  1. 开启一个子线程，在子线程中下载图片
  2. 回到主线程刷新UI，将图片展示在UIImageView中

DEMO代码如下：

/**
* 创建一个线程下载图片
*/
- (void)downloadImageOnSubThread {
// 在创建的子线程中调用downloadImage下载图片
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(downloadImage) toTarget:self withObject:nil];
}

/**
* 下载图片，下载完之后回到主线程进行 UI 刷新
*/
- (void)downloadImage {
NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);

// 1. 获取图片 imageUrl
NSURL *imageUrl = [NSURL URLWithString:@"https://ysc-demo-1254961422.file.myqcloud.com/YSC-phread-NSThread-demo-icon.jpg"];

// 2. 从 imageUrl 中读取数据(下载图片) -- 耗时操作
NSData *imageData = [NSData dataWithContentsOfURL:imageUrl];
// 通过二进制 data 创建 image
UIImage *image = [UIImage imageWithData:imageData];

// 3. 回到主线程进行图片赋值和界面刷新
[self performSelectorOnMainThread:@selector(refreshOnMainThread:) withObject:image waitUntilDone:YES];
}

/**
* 回到主线程进行图片赋值和界面刷新
*/
- (void)refreshOnMainThread:(UIImage *)image {
NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);

// 赋值图片到imageview
self.imageView.image = image;
}

5. NSThread 线程安全与线程同步

线程安全：如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行的结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期是一样的，就是线程安全的。

若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；
若有多个线程同时执行写操作（更改变量），一般都要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

线程同步：可以理解为线程A和线程B一块儿配合，A执行到一定的程度是要依靠线程B的某个结果，于是停下来，示意B运行；B依言执行，再将结果给A；A再继续操作。

举个简单的例子就是：两个人在一起聊天。两个人不能同时说话，避免听不清楚（操作冲突）。等一个人说完（一个线程结束操作），另一个再说，（两一个线程再开始操作）。

下面，我们将模拟火车篇售卖的方式，实现NSThread线程安全和解决线程同步的问题。

场景：总共有50张火车票，有两个售卖火车票的窗口，一个是北京火车票售卖窗口，另一个是上海火车票售卖窗口。两个窗口同事售卖火车票，卖完为止。

5.1 NSThread 多线程不考虑线程安全的情况

先看看不考虑线程安全的代码：

/**
* 初始化火车票数量、卖票窗口(非线程安全)、并开始卖票
*/
- (void)initTicketStatusNotSafe {
    // 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(saleTicketNotSafe) 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(saleTicketNotSafe) 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(非线程安全)
*/
- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {
        //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];
        
    }else {//如果已卖完，关闭售票窗口
        NSLog(@"所有火车票均已售完");
        break;
        }
    }
}

运行后部分结果为：

2018-05-21 18:44:55.428108+0800 RunLoop[4226:459324] 剩余票数：48 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:55.428112+0800 RunLoop[4226:459323] 剩余票数：49 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:55.631715+0800 RunLoop[4226:459324] 剩余票数：47 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:55.631715+0800 RunLoop[4226:459323] 剩余票数：46 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:55.833247+0800 RunLoop[4226:459324] 剩余票数：45 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:55.833289+0800 RunLoop[4226:459323] 剩余票数：45 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:56.038194+0800 RunLoop[4226:459324] 剩余票数：44 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:56.038223+0800 RunLoop[4226:459323] 剩余票数：43 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:56.239316+0800 RunLoop[4226:459324] 剩余票数：42 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 18:44:56.239318+0800 RunLoop[4226:459323] 剩余票数：42 窗口：北京火车票售票窗口

可以看到在不考虑线程安全的情况下，得到的票数是错乱的，这样显示不符合我们的需求，所以我们需要考虑线程安全的问题。

5.2 NSThread 多线程考虑线程安全的情况

线程安全解决方案：可以给线程加锁，在一个线程执行该操作的时候，不允许其他线程进行操作。iOS实现线程加锁有很多种方式：@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/ge等等各种方式。
为了简单起见，这里不对各种锁的解决方案和性能做分析，只用最简单的@synchronized来保证线程安全，从而解决线程同步的问题。

考虑线程安全的代码：

/**
 * 初始化火车票数量、卖票窗口(非线程安全)、并开始卖票
 */
- (void)initTicketStatusSafe {
    // 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(非线程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {
        @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];
                
            }else {//如果已卖完，关闭售票窗口
                NSLog(@"所有火车票均已售完");
                break;
            }
        }
    }
}

运行结果为：

2018-05-21 19:01:20.789485+0800 RunLoop[4378:480055] 剩余票数：49 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:20.993775+0800 RunLoop[4378:480056] 剩余票数：48 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:21.196806+0800 RunLoop[4378:480055] 剩余票数：47 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:21.401549+0800 RunLoop[4378:480056] 剩余票数：46 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:21.606336+0800 RunLoop[4378:480055] 剩余票数：45 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:21.809718+0800 RunLoop[4378:480056] 剩余票数：44 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:22.015090+0800 RunLoop[4378:480055] 剩余票数：43 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:22.219827+0800 RunLoop[4378:480056] 剩余票数：42 窗口：上海火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:22.423403+0800 RunLoop[4378:480055] 剩余票数：41 窗口：北京火车票售票窗口
2018-05-21 19:01:22.625025+0800 RunLoop[4378:480056] 剩余票数：40 窗口：上海火车票售票窗口

可以看出，在考虑了线程安全的情况下，加锁之后，得到的票数是正确的，没有出现混乱的情况。我们也就解决了多个线程同步的问题。

示例demo可以在这里下载
https://github.com/SPIREJ/multithreadsTest

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