多線程原理

線程和進程的關(guān)系和區(qū)別

1、線程定義

• 線程是進程的基本執(zhí)行單元,一個進程的所有任務(wù)都要在線程中執(zhí)行
• 進程要想執(zhí)行任務(wù)，必須得有線程，進程至少要有一條線程
• 程序啟動默認會創(chuàng)建一條線程，這條線程被稱為主線程或者UI線程

2、進程定義

• 進程是指在系統(tǒng)中正在運行的一個應(yīng)用程序
• 每個進程之間是獨立的，每個進程運行在其專用的受保護的內(nèi)存中

3、進程和線程的區(qū)別

• 地址空間：同一進程的線程共享本進程的地址空間，而進程之間則是獨立的地址空間
• 資源擁有：同一進程內(nèi)的線程共享本進程的資源，如內(nèi)存、I/O、CPU等，但是進程之間的資源是獨立的。
• 可靠性：一個進程崩潰后，在保護模式下不會對其他進程產(chǎn)生影響，而一個線程崩潰整個進程都得死掉。所以多進程要比多線程健壯。
• 進程切換時，消耗的資源大，效率低。所以涉及到頻繁的切換時,使用線程要好于進程。同樣如果要求同時進行并且又要共享某些變量的并發(fā)操作，只能用線程不能用進程
• 執(zhí)行過程：每個獨立的進程有一個程序運行的入口和順序執(zhí)行序列。但是線程不能獨立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個線程執(zhí)行控制。
• 線程是處理器調(diào)度的基本單位，但是進程不是。

多線程的意義

• 優(yōu)點
  • 能適當(dāng)提高程序的執(zhí)行效率
  • 能適當(dāng)提高資源的利用率
  • 線程上的任務(wù)執(zhí)行完成后，線程會自動銷毀
• 缺點
  • 開啟線程需要占用一定的內(nèi)存空間（默認一個線程大小為512KB）
  • 如果開啟大量的線程，會占用大量的內(nèi)存空間，降低程序的性能
  • 線程越多，CPU在調(diào)用線程上的開銷就越大
  • 程序設(shè)計更加復(fù)雜，比如線程間的通信、多線程的數(shù)據(jù)共享

多線程的原理

CPU在不同的線程之間以一個非常小的時間片不斷的進行調(diào)度。

多線程技術(shù)方案

1、pthread

• 一套通用的多線程API
• 適用于Unix/Linux/Windows等系統(tǒng)
• 跨平臺/可移植
• 使用難度大
• C語言，需要手動管理線程生命周期

2、NSThread

• 使用更加面向?qū)ο?/li>
• 簡單易用，可直接操作線程對象
• OC語言，需要手動管理線程對象

3、GCD

• 蘋果為多核并行運算開發(fā)的解決方案
• 會自動利用更多的CPU內(nèi)核（比如雙核、四核）
• 程序員只需要將任務(wù)添加到隊列中，不需要編寫任何線程管理代碼
• OC語言，自動管理生命周期

4、NSOperation

• 基于GCD，但是比GCD多了一些簡單實用的功能
• 使用更加面向?qū)ο?/li>
• 可添加完成的代碼塊，在操作完成之后執(zhí)行
• 添加操作之間的依賴關(guān)系，方便的控制執(zhí)行順序
• 可以設(shè)定操作執(zhí)行的優(yōu)先級
• 可以很方便的取消一個操作的執(zhí)行
• 使用KVO觀察對操作執(zhí)行狀態(tài)的更改：isExecuteing、isFinished、isCancelled
• OC語言，手動管理生命周期

C與OC的橋接

• __bridge只做類型轉(zhuǎn)換，但是不修改對象（內(nèi)存）管理權(quán)；
• __bridge_retained（也可以使用CFBridgingRetain）將Objective-C的對象轉(zhuǎn)換為Core Foundation的對象，同時將對象（內(nèi)存）的管理權(quán)交給Core Foundation的對象，后續(xù)使用CFRelease或者相關(guān)方法來釋放對象；
• __bridge_transfer（也可以使用CFBridgingRelease）將Core Foundation的對象轉(zhuǎn)換為Objective-C的對象，同時將對象（內(nèi)存）的管理權(quán)交給ARC。

線程生命周期

線程的生命周期分為5個部分，新建、就緒、運行、阻塞、死亡。

線程生命周期.png

• 新建：實例化線程對象
• 就緒：向線程對象發(fā)送start消息，線程對象被加入可調(diào)度線程池等待CPU調(diào)度
• 運行：CPU負責(zé)調(diào)度可調(diào)度線程池中線程執(zhí)行。當(dāng)前線程任務(wù)執(zhí)行完畢后，進入就緒狀態(tài)，即有一個短暫停留期，如果在這期間有新的任務(wù)，則繼續(xù)執(zhí)行這個任務(wù)，如果沒有新的任務(wù)，則線程銷毀，等有下一個任務(wù)的時候，則開啟新的線程執(zhí)行。
• 阻塞：當(dāng)滿足某個預(yù)定條件時，可以使用休眠或鎖，阻塞線程執(zhí)行。sleepForTimeInterval（休眠指定時長），sleepUntilDate（休眠到指定日期），@synchronized(self)：（互斥鎖）。
• 死亡：正常死亡，線程執(zhí)行完畢。非正常死亡，當(dāng)滿足某個條件后，在線程內(nèi)部中止執(zhí)行或者在主線程中止線程對象。

線程的exit、cancel和suspend操作區(qū)別。

• exit：一旦強行終止線程，后續(xù)的所有代碼都不會被執(zhí)行
• cancel：并不會直接取消線程，只是給線程對象添加isCancelled標(biāo)記
• suspend：掛起狀態(tài)，通過resume，可以恢復(fù)線程的任務(wù)執(zhí)行

線程聲明周期2

線程池的實現(xiàn)原理

線程池的實現(xiàn)原理如下圖所示：

線程池實現(xiàn)原理.png

線程安全與鎖

1、什么是線程安全？
????多線程操作共享數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)想不到的結(jié)果就是線程安全的，否則，是線程不安全的。比如：多個線程同時訪問或讀取同一共享數(shù)據(jù)，每個線程的讀到的數(shù)據(jù)都是一樣的，也就不存在線程不安全。如果多個線程對同一資源進行讀寫操作，那么每個線程讀到的結(jié)果就是不可預(yù)料的，線程是不安全的。

2、多線程鎖
????線程安全的解決方法就是加鎖 。
????鎖是最常用的同步工具。一段代碼段在同一個時間只能允許被一個線程訪問。
????不要將過多的其他操作代碼放到里面，否則一個線程執(zhí)行的時候另一個線程就一直在等待，就無法發(fā)揮多線程的作用了。下圖是iOS常用鎖的性能表。

鎖的性能對比.png

3、atomic與nonatomic的區(qū)別

• nonatomic 非原子屬性
• atomic 原子屬性（線程安全），針對多線程設(shè)計，默認值
  • 保證同一時間只有一個線程能夠?qū)懭耄ǖ峭粫r間多個線程都可取值）
  • atomic本身就有一把鎖（自旋鎖）
  • 單寫多讀：單個線程寫入，多個線程可以讀取
• atomic：并非完全的線程安全，只有用setter方法寫入才是線程安全的，需要消耗大量資源
• nonatomic：非線程安全，適合內(nèi)存小的移動設(shè)備、

建議：

• 所有屬性都聲明為nonatomic
• 盡量避免多線程搶奪同一塊資源
• 盡量將加鎖、資源搶奪的業(yè)務(wù)邏輯交給服務(wù)器端處理，減小移動客戶端的壓力

線程和runloop的關(guān)系

1、runloop與線程是一一對應(yīng)的，一個runloop對應(yīng)一個核心的線程，為什么說是核心的，是因為runloop是可以嵌套的，但是核心的只能有一個，他們的關(guān)系保存在一個全局的字典里。

2、runloop是來管理線程的，當(dāng)線程的runloop被開啟后，線程會在執(zhí)行完任務(wù)后進入休眠狀態(tài)，有了任務(wù)就會被喚醒去執(zhí)行任務(wù)。

3、runloop在第一次獲取時被創(chuàng)建，在線程結(jié)束時被銷毀。

4、對于主線程來說，runloop在程序一啟動就默認創(chuàng)建好了。

5、對于子線程來說，runloop是懶加載的，只有當(dāng)我們使用的時候才會去創(chuàng)建，所以在子線程用定時器要注意：確保子線程的runloop被創(chuàng)建，不然定時器不會回調(diào)。

參考文章：
1、淺談多進程多線程的選擇
2、多線程原理分析
3、iOS多線程全套：線程生命周期，多線程的四種解決方案，線程安全問題，GCD的使用，NSOperation的使用
4、iOS線程通信和進程通信的例子（NSMachPort和NSTask，NSPipe）