iOS 底层探究：多线程原理

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1. 线程和进程

1.1 线程和进程的定义

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或UI线程

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。

1.2 线程和进程的关系

• 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。
• 一个进程奔溃后，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。
• 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，使用线程要好于你进程。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。
• 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。

-线程时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。

2. 多线程

2.1 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，每个线程被调度的次数会降低，线程的执行效率降低；
  • 程序设计更加复杂，比如线程间的通信、多线程的数据共享。

2.2 多线程原理

对于单核CPU，同一时间，CPU只能处理一条线程，即同一时间只有一个线程在执行，iOS中的多线程同时执行的本质是CPU具有调度的能力，能够在多个任务直接进行快速的切换，由于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。CPU在多个任务进行快速的切换的时间间隔就是时间片。
如果是多喝CPU就真的可以同时处理多个线程了，也就是并发。
多线程消耗：

2.3 多线程技术方案

• 新建：只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的调用，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调度后才执行，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，开发人员不能干预。
• 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sleep到时，会获取同步锁重新将线程加入可调度线程池中。
• 死亡：氛围两种情况
  • 1.正常死亡：即线程执行完毕。
  • 2.非正常死亡：当满足某个条件后，在线程内部（或者中线程中）中止执行（调用exit方法等退出）。

2.5 线程池原理

饱和策略

• 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了RejectedExecutionHandler接口

3.问题

3.1 任务的执行速度的影响因素

• cpu
• 任务复杂度
• 优先级
• 线程状态

3.2 优先级反转

在看优先级反转前先了解什么是IO密集型线程和CPU密集型线程。

• IO密集型线程：频繁等待的线程，等待的时间会让出时间片。
• cpu密集型线程：很少等待的线程，意味着长时间占用着CPU。

IO密集型线程比CPU密集型线程更容易得到优先级提升。
特殊场景下，当多个优先级都比较高的CPU密集型线程霸占了所有CPU资源，而此时优先级较低的IO密集型线程将持续等待，产生线程饿死的现象。当然为了避免线程饿死，CPU会发挥调度作用去逐步提高被“冷落”线程的优先级（提高优先级并不一定会立即执行），IO密集型线程通常情况下比CPU密集型线程更容易获取到优先级提升。
线程的优先级影响因素：

• 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者降低
• 长时间不执行的线程，提升它的优先级

用户指定线程优先级：

4.线程的安全问题

多线程操作过程中往往多个线程是并发执行的，同一个资源可能被多个线程同时访问，造成资源抢夺，这个过程中如果没有锁机制往往会造成重大问题。
iOS主要有两种锁：

• 互斥锁
• 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

• 自旋锁于互斥锁蕾丝，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，本省就是一把自旋锁
• 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 自旋锁于互斥锁的异同点

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