前言
多线程技术在移动端开发的过程中被广泛运用,深入理解器原理并结合业务思考,才能在有限的线程控制API中最大化发挥并发编程的能力,也能轻易的察觉到代码可能存在的安全问题并优雅的解决它.
1. 线程简述
1.1 进程
进程: 是指在系统中正在运行的一个应用程序,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(比如打开Xcode和微信会开启2个进程)
- 进程是分配资源的基本单位
1.2 线程
- 线程(
thread): 1个进程要想执行任务,必须得有线程(每1个进程至少要有1条线程),一个进程(程序)的所有任务都在线程中执行. - 线程的串行: 1个线程中任务的执行是串行的,如果要在1个线程中执行多个任务,那么只能一个一个地按顺序执行这些任务,也就是说,在同一时间内,1个线程只能执行1个任务
- 线程是程序执行流的最小单元,一个线程包括：独有ID,程序计数器 (Program Counter),寄存器集合,堆栈.同一进程可以有多个线程,它们共享进程的全局变量和堆数据.
1.3 多线程
多线程: 1个进程中可以开启多条线程,每条线程可以并行(同时)执行不同的任务,多线程技术可以提高程序的执行效率
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.
资源拥有：同⼀进程内的线程共享本进程的资源如内存、I/O、cpu等,但是进程之间的资源是独立的
1:⼀个进程崩溃后,在保护模式下不会对其他进程产⽣影响,但是⼀个线程崩溃整个进程都死掉.所以多进程要⽐多线程健壮.
2:进程切换时,消耗的资源⼤,效率⾼.所以涉及到频繁的切换时,使⽤线程要好于进程.同样如果要求同时进⾏并且⼜要共享某些变量的并发操作,只能⽤线程不能⽤进程
3:执⾏过程：每个独⽴的进程有⼀个程序运⾏的⼊⼝、顺序执⾏序列和程序⼊⼝.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.
4:线程是处理器调度的基本单位,但是进程不是.
5:线程没有地址空间,线程包含在进程地址空间中
多线程原理:
(1).同一时间,CPU只能处理1条线程,只有1条线程在工作(执行)
(2).多线程并发(同时)执行,其实是CPU快速地在多条线程之间调度(切换)
(3).如果CPU调度线程的时间足够快,就造成了多线程并发执行的假象-
线程池原理
(线程池原理
)
-
如果线程非常非常多,会发生什么情况？
(1).CPU会在N多线程之间调度,CPU会累死,消耗大量的CPU资源
(2).每条线程被调度执行的频次会降低(线程的执行效率降低)
- 多线程的优点
- 能适当提高程序的执行效率
- 能适当提高资源利用率(
CPU、内存利用率)
- 多线程的缺点
- 创建线程是有开销的(
iOS下主要成本包括：内核数据结构(大约1KB)、栈空间(子线程512KB、主线程1MB,也可以使用setStackSize:设置,但必须是4K的倍数,而且最小是16K),创建线程大约需要90毫秒的创建时间) - 如果开启大量的线程,会降低程序的性能
- 线程越多,
CPU在调度线程上的开销就越大 - 程序设计更加复杂：比如线程之间的通信、多线程的数据共享
1.4 进程和线程的关系
1.5 线程的生命周期
- 新建: 实例化线程对象
- 就绪: 向线程对象发送
start消息, 线程对象被加入可调度线程池等待CPU调度 - 运行:
CPU负责调度可调度线程池中线程的执行.线程执行完成之前,状态可能在就绪和运行之间来回切换.就绪和运行之间状态由CPU负责,程序员无法干预. - 阻塞: 当满足某个预定条件时,可以使用休眠或锁,阻塞线程执行.
- 死亡: 正常死亡,线程执行完毕.非正常死亡,当满足某个条件后,在线程内部中止执行/在主线程中止线程对象.
1.6 线程与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,为什么说是核⼼的呢,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.对于主线程来说,
runloop在程序⼀启动就默认创建好了. - 5.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.
2. iOS多线程方案
3. 自旋锁和互斥锁
3.1 互斥锁
定义:当上一个线程的任务没有执行完毕的时候(被锁住),那么下一个线程会进入睡眠状态等待任务执行完毕, 直到上一个执行完成,下一个线程会自动唤醒,然后开始珍惜任务
互斥锁原理：线程会从
sleep(加锁)-->running(解锁), 过程中有上下文的切换(主动出让时间片, 线程休眠, 等待下一次唤醒).CPU的抢占,信号的发送等开销.互斥锁会休眠: 所谓休眠, 即在访问被锁资源时, 调用者线程会休眠, 此时
CPU可以调度其他线程工作.直到被锁资源释放锁.此时会唤醒休眠线程.
互斥锁:@synchronized,NSLock, pthread_mutex, NSConditionLock, NSCondition, NSRecursiveLock
3.2 自旋锁
- 定义:一种用于保护多线程共享资源的锁. 与一般互斥锁(
mutex)不同之处在于当自旋锁尝试获取锁时以忙等待(busy waiting)的形式不断地循环检查锁是否可用.当上一个线程的任务没有执行完毕的时候,下一个线程处于一直等待状态,不会休眠,直到上一个执行完毕. - 自旋锁原理：线程一直是
running(加锁——>解锁), 死循环(忙等do-while)检测锁的标志位,机制不复杂. - 优点:自旋锁不会引起调用者睡眠,所以不会进行线程调度,
CPU时间片轮转等耗时操作.如果能在很短的时间内获得锁,自旋锁的效率远高于互斥锁.适用于持有锁较短的程序. - 缺点:自旋锁一直占用
CPU,在未获得锁的情况下,自旋锁一直运行(忙等状态,询问), 占用着CPU，如果不能在很短的时间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低. 自旋锁不能实现递归调用.
自旋锁:atomic、OSSpinLock、dispatch_semaphore_t
拓展atomic与synchronized
atomic :是原子属性, 是为多线程开发准备的, 是默认属性！仅仅在属性的 setter 方法中，增加了锁(自旋锁)，能够保证同一时间，只有一条线程对属性进行写操作,同一时间 单(线程)写多(线程)读的线程处理技术
nonatomic: 是非原子属性, 没有锁！性能高！
注意:在OC中，如果同时重写了setter & getter方法，系统不再提供_成员变量，需要使用合成指令@synthesize name 取个别名:_name
模拟atomic代码
#pragma mark - 模拟原子属性示例代码
- (NSString *)name {
return _name;
}
- (void)setName:(NSString *)name {
/**
* 增加一把锁，就能够保证一条线程在同一时间写入!
*/
@synchronized (self) {
_name = name;
}
}
setter方法源码:
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
if (offset == 0) {
object_setClass(self, newValue);
return;
}
id oldValue;
id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
if (copy) {
newValue = [newValue copyWithZone:nil];
} else if (mutableCopy) {
newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
} else {
if (*slot == newValue) return;
newValue = objc_retain(newValue);
}
if (!atomic) {
oldValue = *slot;
*slot = newValue;
} else {
// 如果是atomic, 则加锁
spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
slotlock.lock();
oldValue = *slot;
*slot = newValue;
slotlock.unlock();
}
objc_release(oldValue);
}
getter方法源码
id objc_getProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, BOOL atomic) {
if (offset == 0) {
return object_getClass(self);
}
// Retain release world
id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
if (!atomic) return *slot;
// Atomic retain release world
spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
slotlock.lock();
id value = objc_retain(*slot);
slotlock.unlock();
// for performance, we (safely) issue the autorelease OUTSIDE of the spinlock.
return objc_autoreleaseReturnValue(value);
}
完整代码见GitHub->多线程
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