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进程和线程

进程和线程的定义

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的且受保护的内存空间内;
- 通过活动监视器可以查看Mac系统中所开启的进程;
线程
- 线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有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，这条线程被称为主线程;

有图标的进程说明该进程具有Mac的桌面权限；

iOS一般为单进程开发；

进程和线程的关系

地址空间: 同一进程内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)，而进程之间的资源则是独立的；

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，整个进程都会死掉。所以多进程比多线程健壮；
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：每个独立的进程都有一个程序运行的入、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，但进程不是；
线程没有地址空间，线程包含在进程的地址空间中；

多线程

在单进程中，一个一个任务接着执行将会很耗时，效率低下，这个时候就需要使用多线程来处理;

多线程的原理

对于单核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中的多线程同时执行，其本质是CPU快速的在多个线程之间的切换，由于CPU调度线程的时间足够快，就造成了多线程”同时”执行的效果；其中切换的时间间隔被称为时间片；
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，每个线程被调度的次数就会降低，线程的执行效率就会降低；

多线程的使用

多线程的使用方式：

1、pthread_create

pthread_t threadId = NULL;
//c字符串
char *cString = "HelloCode";

int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
if (result == 0) {
    NSLog(@"成功");
} else {
    NSLog(@"失败");
}
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2、NSThread

[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadTest) toTarget:self withObject:nil];
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3、GCD

dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self threadTest];
});
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4、NSOperation

[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
    [self threadTest];
}];
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技术方案对比：

方案	简介	语言	生命周期	使用频率
pthread_create	1.一套通用的多线程API 2.适用于Unix/Linux/Windows等系统 3.跨平台/可移植 4.使用难度大	C	程序员管理	几乎不用
NSThread	1.使用更加面向对象 2.简单易用，可直接操作线程对象	OC	程序员管理	偶尔使用
GCD	1.旨在替代NSThread等线程技术 2.充分利用设备的多核	C	自动管理	经常使用
NSOperation	1.基于GCD(底层是GCD) 2.比GCD多了一些更简单实用的功能 3.使用更加面向对象	OC	自动管理	经常使用

在使用过程中，可能会用到C和OC的桥接：

__bridge只做类型转换，但是不修改对象(内存)管理权；
__bridge_retained(也可以使用CFBridgingRetain)将Objective-C的对象转换为Core Foundation对象，同时将对象(内存)的管理权交给我们，后续需要使用CFRelease或者相关方法来释放对象；
__bridge_transfer(也可以使用CFBridgingRelease)将Core Foundation的对象转换成Objective-C的对象，同时将对象(内存)的管理权交给ARC;

多线程的意义

优点
- 能适当提高程序的执行效率
- 能适当提高资源的利用率(CPU，内存)
- 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

官方文档中列举了线程的创建成本：

创建成本

线程生命周期

线程的状态分为：新建、就绪、运行、阻塞、死亡如下图所示：

新建：主要是实例化线程对象
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调度，即调用start方法，并不会立即执行，进入就绪状态，需要等待一段时间，经CPU调度之后才会执行，也就是从就绪状态进入运行状态；
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，开发人员无法干预；
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，会重新将线程加入到就绪中；
- 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，即休眠时长；
- @synchronized(self)：同步锁；
死亡：分为两种情况：
- 1. 正常死亡：即线程执行完毕；
- 1. 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)

处于运行中的线程拥有一段可以执行的时间(时间片)，如果时间片用尽，线程会进入就绪状态队列；如果时间片未用尽，需要开始等待某事件，就会进入阻塞状态队列；等待事件发生后，线程又会重新进入就绪状态队列；每当一个线程离开运行，即执行完毕或者强制退出后，会重新从就绪状态队列中选择一个线程继续执行；

线程池及饱和策略

1.判断核心线程池是否都正在执行任务：
- 返回NO，则创建新的工作线程去执行；
- 返回YES，则进入2；
2.判断线程池工作队列是否已经饱满：
- 返回NO，则将任务存储到工作队列，等待CPU调度；
- 返回YES，则进入3；
3.判断线程池中的线程是否都处于执行状态；
- 返回NO，则安排可调度线程池中空闲的线程去执行任务；
- 返回YES，则进入4；
4.交给饱和策略去执行(四种策略如下)：
- AbortPolicy:直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行；
- 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；

这四种拒绝策略均实现的RejectedExecutionHandler接口

线程的exit和cancel说明：

exit：一旦强行终止线程，后续所有的代码都不会执行；
cancel：取消当前线程，但是不能取消正在执行的线程；

关于多线程面试题

影响任务执行的因素

CPU
任务的复杂度
优先级
线程状态

并不是线程的优先级越高，任务执行就越快；线程执行的快慢，除了要看优先级还需要查看资源的大小(任务复杂度)，以及CPU调度情况；

优先级翻转

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密集型更容易得到优先级提升

优先级影响因素

用户指定threadPriority
等待的频繁度，越是频繁等待，越容易获得优先级提升
长时间不执行，容易获得优先级提升

在NSThread中，优先级threadPriority已经被服务质量qualityOfService取代，枚举值如下：

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));
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自旋锁和互斥锁

当多个线程同时访问一块资源时(比如多窗口卖票时，多个窗口访问同一个票的数据)，容易发生资源抢夺，会引起数据错乱和数据安全问题，有两种解决方案：

互斥锁(也叫同步锁)：@synchronized
自旋锁

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，那么大多数都使用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；

针对互斥锁，还需要注意：

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；

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，属性修饰符atomic本身就是一把自旋锁；
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；

自旋锁与互斥锁比较

相同点：在同一时间，保证了只有一条线程执行任务，既保证了相应的同步功能；
不同点：
- 互斥锁：发现有其他线程执行，当前线程休眠，即就绪状态，进入等待执行，即挂起。一直等到其他线程打开之后，然后唤醒执行；
- 自旋锁：发现有其他线程执行，当前线程一直询问，即一直访问，处于忙等状态，耗费的性能非常高；
使用场景：根据任务复杂度区分，使用不同锁，但判断不全时，更多的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；

atomic与nonatomic比较

nonatomic

非原子属性
非线程安全，适合内存小的移动设备

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本身就有一把锁自旋锁，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

iOS开发中的建议：

所有属性都声明为nonatomic；
尽量避免多线程抢夺同一块资源，尽量将加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务器端处理，减小移动客户端的压力；

线程和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，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，线程会在执行完成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。

线程间通讯机制

在官方文档中，提及线程间通讯机制有以下几种方式：

直接消息传递:通过performSelector的一系列方法，可以实现由某一线程指定在另外的线程上执行任务。因为任务的执行上下文是目标线程，这种方式发送的消息将会自动的被序列化；
全局变量、共享内存块和对象:在两个线程之间传递信息的另一种简单方法是使用全局变量，共享对象或共享内存块。尽管共享变量既快速又简单，但是它们比直接消息传递更脆弱。必须使用锁或者其他同步机制仔细保护共享变量，以确保代码的正确性。否则可能会导致竞争状况，数据损坏或崩溃；
条件执行:条件是一种同步工具，可用于控制线程何时执行代码的特定部分。您可以将条件视为守卫，让线程仅在满足指定条件时运行；
Runloop sources:一个自定义的Runloop source配置可以让一个线程上收到特定的应用程序消息。由于Runloop souce是事件驱动的，因此在无事可做时，线程会自动进入到休眠状态，从而提高了线程的效率；
Ports and sockets:基于端口的通信，是在两个线程之间进行通信的一种更为复杂的方法，但它也是一种非常可靠的技术。更重要的是，端口和套接字可用于与外部实体(例如其他进程和服务)进行通信。为了提高效率，使用Runloop source来实现端口，因此当端口上没有数据等待时，线程将进入睡眠状态。需要注意的是，端口通讯需要将端口加入到主程序的Runloop中，否则不会走到端口回调方法；
消息队列:传统的多处理服务定义了先进先出(FIFO)队列抽象，用于管理传入和传出数据。尽管消息队列既简单又方便，但是它们不如其他一些通信技术高效；
Cocoa分布式对象:分布式对象是一种Cocoa技术，可提供基于端口的通信的高级实现。尽管可以将这种技术用于线程间通信，但是强烈建议不要这样做，因为它会产生大量开销。分布式对象更适合与其他进程进行通信，尽管在这些进程之间进行事务的开销也很高；