iOS底层原理--021：多线程原理

1. 线程和进程

1.1 线程与进程的定义

线程：

• 线程是进程的基本执行单元，一个进程中的所以任务都在线程中执行

• 进程要想执行任务，必须得有线程，进程至少要有一条线程

• 程序启动会默认开启一条线程，这条线程称之为主线程或UI线程

进程：

• 进程是指在系统中正在运行的应用程序

• 每个进程都是独立的，每个进程均运行在其专用的且受保护的内存空间中

• 通过活动监视器可查看Mac系统中所开启的进程

进程中包含多个线程，进程负责任务的调度，线程负责任务的执行。在iOS中并不支持多进程，所有程序都是单一进程运行，进程之间相互独立

1.2 线程与进程的关系

进程与线程的关系，涉及两个方面：

• 地址空间：同一进程的线程共享本进程的地址空间，而多进程之间是独立的地址空间

• 资源拥有：同一进程的线程共享本进程的资源，如：内存、IO、CPU等，而多进程之间的资源是独立的

二者之间的关系，相当于工厂与流水线的关系。工厂与工厂之间是相互独立的，而工厂中的流水线共享工厂的资源。即：进程相当于一个工厂，线程相当于工厂中的一条流水线

二者的使用特点：

• 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但一个线程崩溃会导致整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮

• 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。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

• 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

• 线程是处理器调度的基本单位，但是进程不是

• 线程没有地址空间，线程包含在进程地址空间中

1.3 线程局部存储（TLS）

线程局部存储：Thread Local Storage,TLS

• 线程没有地址空间，但存在线程局部存储。线程局部存储是某些操作系统为线程单独提供的私有空间，但通常只具有很有限的容量

在objc源码中，_objc_init方法中包含了对tls的初始化操作

线程key的绑定

void tls_init(void)
{
#if SUPPORT_DIRECT_THREAD_KEYS
    pthread_key_init_np(TLS_DIRECT_KEY, &_objc_pthread_destroyspecific);
#else
    _objc_pthread_key = tls_create(&_objc_pthread_destroyspecific);
#endif
}

2. 多线程

2.1 多线程的原理

• 单核CPU，同一时间CPU只能处理一条线程，即：只有一条线程在工作

• iOS中的多线程，由CPU在多个任务之间进行快速切换，CPU调度线程的时间足够快，就造成了多线程的“同时”执行的效果

• 如果线程数非常多，CPU会在N个线程之间切换，消耗大量的CPU资源。

• CPU在多个任务之间进行快速的切换，这个时间间隔称之为时间片

• 所有，多线程并不是真正的并发。而真正的并发，必须建立在多核CPU的基础上

• 苹果官方的参考文档：Threading Programming Guide

2.2 多线程的意义

优点：

• 能适当提高程序的执行效率

• 能适当提高CPU、内存等资源的利用率

• 线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁

缺点：

• 开启线程需要占用一定的内存空间，默认情况下，每一个线程都占512KB

• 如果开启大量的线程，会占用大量的内存空间，降低程序的性能

• 线程越多，CPU在调用线程上的开销就越大

• 程序设计更加复杂，比如线程间的通信、多线程的数据共享

2.3 线程的成本

线程在内存使用和性能方面对程序和系统有实际的代价。每个线程都需要在内核内存空间和程序的内存空间中分配内存。管理线程和协调线程调度所需的核心结构使用有线内存存储在内核中。线程的堆栈空间和每个线程的数据存储在程序的内存空间中。大多数结构都是在第一次创建线程时创建和初始化的——由于需要与内核进行交互，这个进程的开销相对较大

以下表格中，量化了在应用程序中创建一个新的用户级线程的大约成本。其中一些成本是可配置的，比如分配给次级线程的堆栈空间量。创建线程的时间成本是一个粗略的近似值，应该仅用于彼此之间的相对比较。线程创建时间的差异很大，这取决于处理器负载、计算机的速度以及可用的系统和程序内存的数量

线程创建成本：

编写线程代码时要考虑的另一个成本是生产成本。设计线程应用程序有时需要对组织应用程序数据结构的方式进行根本性的更改。为了避免使用同步，可能需要进行这些更改，而同步本身会对设计不良的应用程序造成巨大的性能损失。设计这些数据结构，并在线程代码中调试问题，可能会增加开发线程应用程序所需的时间。然而，如果线程花太多时间等待锁或什么都不做，避免这些成本可能会在运行时造成更大的问题

2.4 多线程技术方案

2.5 多线程生命周期

• 新建：实例化线程对象

• 就绪：线程对象调用start方法，将线程对象加入可调度线程池，等待CPU的调用。调用start方法并不会立即执行，而是进入就绪状态，之后会经过CPU的调度，才会进入运行状态

• 运行：CPU负责调度可调度线程池中线程的执行，在线程执行完成之前，其状态可能会在就绪和运行之间来回切换，这个变化是由CPU负责，开发者无法干预

• 阻塞：当满足某个预定条件时，可以使用休眠，即：sleep，或者同步锁，阻塞线程执行。当进入sleep时，会重新将线程加入就绪中。下面关于休眠的时间设置，都是NSThread的API

  • sleepUntilDate：阻塞当前线程，直到指定的时间为止，即休眠到指定时间

  • sleepForTimeInterval：在给定的时间间隔内休眠线程，即指定休眠时长

  • 同步锁：@synchronized(self)

• 死亡：分为两种情况

  • 正常死亡，即：线程执行完毕

  • 非正常死亡，即：当满足某个条件后，在线程内部或者主线程中终止执行（调用exit方法等退出）

    
    2.6 线程池原理

    

• 【第一步】判断核心线程池是否都正在执行任务

  • 返回NO，创建新的工作线程去执行

  • 返回YES，进入【第二步】

• 【第二步】判断线程池工作队列是否饱满

  • 返回NO，将任务存储到工作队列，等待CPU调度

  • 返回YES，进入【第三步】

• 【第三步】判断线程池中的线程是否都处于执行状态

  • 返回NO，安排可调度线程池中空闲的线程去执行任务

  • 返回YES，进入【第四步】

• 【第四步】交给饱和策略去执行，分为以下四种拒绝策略：

  • AbortPolicy：抛出RejectedExecutionExeception异常，阻止系统正常运行

  • CallerRunsPolicy：将任务回退到调用者

  • DisOldestPolicy：丢掉等待最久的任务

  • DisCardPolicy：直接丢弃任务

四种拒绝策略均实现的RejectedExecutionHandler接口

3. 面试题

3.1 任务执行速度的影响因素

• CPU的调度情况

• 任务的复杂度

• 任务的优先级

• 线程状态

目前iOS中，线程优先级的threadPriority属性已经弃用，被NSQualityOfService类型的qualityOfService所代替

typedef NS_ENUM(NSInteger, NSQualityOfService) {
    NSQualityOfServiceUserInteractive = 0x21,
    NSQualityOfServiceUserInitiated = 0x19,
    NSQualityOfServiceUtility = 0x11,
    NSQualityOfServiceBackground = 0x09,
    NSQualityOfServiceDefault = -1
} API_AVAILABLE(macos(10.10), ios(8.0), watchos(2.0), tvos(9.0));

NSQualityOfService：服务质量。用于表示工作的性质和对系统的重要性。当存在资源争用时，使用高质量的服务类比使用低质量的服务类获得更多的资源

• NSQualityOfServiceUserInteractive：用于直接涉及提供交互式UI的工作。例如：处理控制事件或在屏幕上绘图

• NSQualityOfServiceUserInitiated：用于执行用户明确要求的工作，并且为了允许进一步的用户交互，必须立即显示这些工作的结果。例如：在用户在邮件列表中选择邮件后加载邮件

• NSQualityOfServiceUtility：用于执行用户不太可能立即等待结果的工作。这项工作可能是由用户请求的，也可能是自动启动的，并且通常使用非模式进度指示器在用户可见的时间尺度上操作。例如：定期内容更新或批量文件操作，如媒体导入

• NSQualityOfServiceBackground：用于非用户发起或不可见的工作。通常，用户甚至不知道正在进行这项工作。例如：预抓取内容、搜索索引、备份或与外部系统同步数据

• NSQualityOfServiceDefault：表示没有明确的服务质量信息。只要可能，适当的服务质量是根据可用的资源确定的。否则，使用NSQualityOfServiceUserInteractive和NSQualityOfServiceUtility之间的服务质量级别

3.2 优先级反转

线程分为以下两种：

• IO密集型，频繁等待的线程

• CPU密集型，很少等待的线程

IO密集型比CPU密集型更容易得到线程优先级的提升

• I(Input输入) / O(Output输出)操作的速度是最慢的，并且等待频繁，如果它的优先级又低，很容易被饱和策略所淘汰

• 为了避免这种情况，当CPU发现一个频繁等待的线程，会将其优先级提升，从而提升线程被执行的可能性

  
  3.3 优先级的影响因素

• 用户指定线程的服务质量

• 根据线程等待的频繁程度提高或降低

• 长时间不执行的线程，提升它的优先级

4. 线程安全

当多个线程同时访问同一块资源时，很容易引发资源抢夺，造成数据错乱和数据安全问题，有以下两种解决方案：

• 互斥锁（同步锁）：@synchronized

• 自旋锁

  
  4.1 互斥锁

• 用于保护临界区，确保同一时间，只有一条线程能够执行

• 如果代码中只有一个地方需要加锁，大多都使用self，这样可以避免单独再创建一个锁对象

• 加了互斥锁的代码，当新线程访问时，如果发现其他线程正在执行锁定的代码，新线程就会进入休眠

使用互斥锁的注意事项：

• 互斥锁的锁定范围，应该尽量小，锁定范围越大，效率越差

• 能够加锁的任意NSObject对象

• 锁对象一定要保证所有的线程都能够访问

4.2 自旋锁

• 自旋锁与互斥锁类似，但它不是通过休眠使线程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（即原地打转，称为自旋）阻塞状态

• 使用场景：锁持有的时间短，且线程不希望在重新调度上花太多成本时，就需要使用自旋锁

• 加入了自旋锁，当新线程访问代码时，如果发现有其他线程正在锁定代码，新线程会用死循环的方法，一直等待锁定的代码执行完成，即不停的尝试执行代码，比较消耗性能

  
  4.3 自旋锁与互斥锁异同点

相同点：

• 在同一时间，保证只有一条线程执行任务，即保证了相应同步的功能

不同点：

• 互斥锁：发现其他线程执行，当前线程休眠（即就绪状态），进入等待执行，即挂起。一直等其他线程打开之后，然后唤醒执行

• 自旋锁：发现其他线程执行，当前线程一直询问（即一直访问），处于忙等状态，耗费的性能比较高

使用场景：

• 根据任务复杂度区分，使用不同的锁，但判断不全时，更多是使用互斥锁去处理

• 当前的任务状态比较短小精悍时，用自旋锁

• 反之的，用互斥锁

  
  4.4 atomic & nonatomic

4.4.1 atomic与nonatomic的作用

atomic和nonatomic用于属性的修饰，两种修饰符的特定分别如下：

• atomic是原子属性，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（互斥锁），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

  • Mac开发中常用

• nonatomic是非原子属性

  • 没有锁，性能高

  • 移动端开发常用

4.4.2 atomic与nonatomic的区别

• atomic

  • 原子属性(线程安全)，针对多线程设计的，默认值

  • 保证同一时间只有一个线程能够写入，但是同一个时间多个线程都可以取值

  • atomic本身就有一把锁（互斥锁），支持单写多读。单个线程写入，多个线程可以读取

  • 线程安全，需要消耗大量的资源

• nonatomic

  • 非原子属性

  • 非线程安全，适合内存小的移动设备

4.4.3 源码分析

打开objc源码，找到objc_setProperty的方法实现

void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}

进入reallySetProperty方法

• 非atomic修饰，增加了spinlock_t的锁操作
• 所以atomic是标示，自身并不是锁。而atomic所谓的互斥锁，由底层代码实现

spinlock_t为互斥锁，而非自旋锁

using spinlock_t = mutex_tt<LOCKDEBUG>;
class mutex_tt : nocopy_t {
    os_unfair_lock mLock;
    ...
};

5. 线程与Runloop的关系

• 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，是因为Runloop是可以嵌套的，但核心只能有一个，它们的关系保存在一个全局的字典里

• 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

• Runloop在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁

• 主线程的Runloop，在程序启动时默认创建

• 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，当子线程使用定时器时，要确保子线程的Runloop被创建，不然定时器无法回调

6. 线程之间的通讯

在某些时候，线程可能需要处理新的工作请求或向您的应用程序的主线程报告它们的进度。在这些情况下，线程之间的通信变得必要，您需要一种将信息从一个线程获取到另一个线程的方法

线程之间的通信方式有很多种，每种方式都有自己的优点和缺点

配置线程本地存储列出了您可以在OS X中使用的最常见的通信机制。除了消息队列和Cocoa分布式对象，这些技术在iOS中也可用

按通讯机制的复杂度升序排列：