作者 | 每天微笑一厘米

來源 | 掘金

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資源準(zhǔn)備

• 多線程蘋果官方文檔

• objc源碼下載：多個(gè)版本的objc源碼

線程和進(jìn)程

線程和進(jìn)程的定義

什么是進(jìn)程

• 進(jìn)程是指在系統(tǒng)中正在運(yùn)行的一個(gè)應(yīng)用程序；

• 每個(gè)進(jìn)程都是獨(dú)立的，每個(gè)進(jìn)程均運(yùn)行在其專用的且受保護(hù)的內(nèi)存空間中；

• 通過活動(dòng)監(jiān)視器可查看 Mac 系統(tǒng)中所開啟的進(jìn)程；

• MAC是多進(jìn)程的，iOS是單進(jìn)程的。

什么是線程

• 線程是進(jìn)程的基本執(zhí)行單元，一個(gè)進(jìn)程中的所以任務(wù)都在線程中執(zhí)行；

• 進(jìn)程要想執(zhí)行任務(wù)，必須得有線程，一個(gè)進(jìn)程至少要有一條線程；

• 程序啟動(dòng)會(huì)默認(rèn)開啟一條線程，這條線程稱之為主線程或UI線程；

進(jìn)程中包含多個(gè)線程，進(jìn)程負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度，線程負(fù)責(zé)任務(wù)的執(zhí)行。在iOS中并不支持多進(jìn)程，所有程序都是單一進(jìn)程運(yùn)行，進(jìn)程之間相互獨(dú)立。

線程與進(jìn)程的關(guān)系

進(jìn)程與線程的關(guān)系，涉及地址空間和資源擁有兩個(gè)方面：

地址空間：同一進(jìn)程的線程共享本進(jìn)程的地址空間，而進(jìn)程與進(jìn)程之間是獨(dú)立的地址空間；

資源擁有：同一進(jìn)程的線程共享本進(jìn)程的資源，如：內(nèi)存、IO、CPU等，而進(jìn)程與進(jìn)程之間的資源是獨(dú)立的。

兩者的使用特點(diǎn)：

• ①、一個(gè)進(jìn)程崩潰后，在保護(hù)模式下不會(huì)對(duì)其他進(jìn)程產(chǎn)生影響，但一個(gè)線程崩潰會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程都死掉。所以多進(jìn)程要比多線程健壯；

• ②、進(jìn)程切換時(shí)，消耗的資源大，效率高。所以涉及到頻繁的切換時(shí)，使用線程要好于進(jìn)程。如果要求同時(shí)進(jìn)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(jìn)程；

• ③、執(zhí)行過程：每個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程有一個(gè)程序運(yùn)行的入口、順序執(zhí)行序列和程序入口。但是線程不能獨(dú)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(gè)線程執(zhí)行控制；

• ④、線程是處理器調(diào)度的基本單位，但是進(jìn)程不是；

• ⑤、線程沒有地址空間，線程包含在進(jìn)程地址空間中；

線程局部存儲(chǔ)（TLS）

線程局部存儲(chǔ)全稱：Thread Local Storage：線程是沒有地址空間的，但是存在線程局部存儲(chǔ)。線程局部存儲(chǔ)是某些操作系統(tǒng)為線程單獨(dú)提供的私有空間，但通常只具有很有限的容量。

在以前的文章：類的加載 上，里面就有分析。在objc源碼中，_objc_init方法中包含了對(duì)tls的初始化操作，如下圖：

在 tls_init 中的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)：

多線程

多線程的原理

iOS中的多線程，由CPU在多個(gè)任務(wù)之間進(jìn)行快速切換，CPU調(diào)度線程的時(shí)間足夠快，就造成了多線程的 同時(shí) 執(zhí)行的效果；所以，多線程并不是真正的并發(fā)。而真正的并發(fā)，必須建立在多核CPU的基礎(chǔ)上；

多線程的意義

優(yōu)點(diǎn)：

線程上的任務(wù)執(zhí)行完后，線程會(huì)自動(dòng)銷毀。

適當(dāng)提高資源的利用率(CPU、內(nèi)存等)。

適當(dāng)提高執(zhí)行效率。

缺點(diǎn)

程序設(shè)計(jì)更加復(fù)雜（如線程間的通訊，多線程的數(shù)據(jù)共享等）。

線程越多，CPU在調(diào)度線程上的開銷越大。

如果開啟大量線程，會(huì)占用大量?jī)?nèi)存空間，降低程序性能。

開啟線程需要占用一定的內(nèi)存空間(參照下面 線程成本 )，默認(rèn)情況下，每一個(gè)線程都占512KB。

時(shí)間片

時(shí)間片的定義： CPU在多個(gè)任務(wù)之間進(jìn)行快速切換，這個(gè)時(shí)間間隔就是時(shí)間片。

• 單核CPU同一時(shí)間，CPU只能處理1個(gè)線程

• 換言之，同一時(shí)間只有1個(gè)線程在執(zhí)行。

• 多線程同時(shí)執(zhí)行：

• 是CPU快速的在多個(gè)線程之間的切換。

• CPU調(diào)度線程的時(shí)間足夠快，就造成了多線程的同時(shí)執(zhí)行的效果。

• 如果線程數(shù)非常多，CPU會(huì)在N個(gè)線程之間切換，消耗大量的CPU資源。

• 每個(gè)線程被調(diào)度的次數(shù)會(huì)降低，線程的執(zhí)行效率會(huì)降低。

線程的成本

線程在內(nèi)存使用和性能方面，需要消耗程序和系統(tǒng)一定的代價(jià)；

每個(gè)線程都需要在內(nèi)核的內(nèi)存空間和程序的內(nèi)存空間中進(jìn)行分配內(nèi)存；

管理線程和協(xié)調(diào)線程，需要調(diào)度所需的核心結(jié)構(gòu)，使用有限內(nèi)存存儲(chǔ)在內(nèi)核中；

線程的堆棧空間和每個(gè)線程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在程序的內(nèi)存空間中；

大多數(shù)結(jié)構(gòu)都是在第一次創(chuàng)建線程時(shí)，創(chuàng)建和初始化的 ---- 由于需要與內(nèi)核進(jìn)行交互，這個(gè)進(jìn)程的開銷相對(duì)較大。

以下表格中，量化了在應(yīng)用程序中創(chuàng)建一個(gè)新的用戶級(jí)線程的大約成本。其中一些成本是可配置的，比如分配給次級(jí)線程的堆?？臻g量。創(chuàng)建線程的時(shí)間成本是一個(gè)粗略的近似值，應(yīng)該僅用于彼此之間的相對(duì)比較。線程創(chuàng)建時(shí)間的差異很大，這取決于處理器負(fù)載、計(jì)算機(jī)的速度以及可用的系統(tǒng)和程序內(nèi)存的數(shù)量。

線程創(chuàng)建成本：

多線程技術(shù)方案

C 與 OC 的橋接

• __bridge只做類型轉(zhuǎn)換，但是不修改對(duì)象(內(nèi)存)管理權(quán)。

• __bridge_retained(也可以使用CFBridgingRetain)將Objective-C的對(duì)象轉(zhuǎn)換為Core Foundation的對(duì)象，同時(shí)將對(duì)象(內(nèi)存)的管理權(quán)交給我們，后續(xù)需要使用CFRelease或者相關(guān)方法來釋放對(duì)象。

• __bridge_transfer(也可以使用CFBridgingRelease)將Core Foundation的對(duì)象 轉(zhuǎn)換為Objective-C的對(duì)象，同時(shí)將對(duì)象(內(nèi)存)的管理權(quán)交給ARC。

線程生命周期

• 新建：實(shí)例化線程對(duì)象；

• 就緒：線程對(duì)象調(diào)用start方法，將線程對(duì)象加入可調(diào)度線程池，等待CPU的調(diào)用（調(diào)用start方法并不會(huì)立即執(zhí)行，而是進(jìn)入就緒狀態(tài)，之后會(huì)經(jīng)過CPU的調(diào)度，才會(huì)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)）；

• 運(yùn)行：CPU負(fù)責(zé)調(diào)度可調(diào)度線程池中線程的執(zhí)行，在線程執(zhí)行完成之前，其狀態(tài)可能會(huì)在就緒和運(yùn)行之間來回切換，這個(gè)變化是由CPU負(fù)責(zé)；

• 阻塞：當(dāng)滿足某個(gè)預(yù)定條件時(shí)，可以使用休眠，即：sleep，或者同步鎖，阻塞線程執(zhí)行。當(dāng)進(jìn)入sleep時(shí)，會(huì)重新將線程加入就緒中。下面關(guān)于休眠的時(shí)間設(shè)置，都是NSThread的API：

• sleepUntilDate：阻塞當(dāng)前線程，直到指定的時(shí)間為止，即休眠到指定時(shí)間；

• sleepForTimeInterval：在給定的時(shí)間間隔內(nèi)休眠線程，即指定休眠時(shí)長(zhǎng)；

• 同步鎖：@synchronized(self)；

• 死亡：分為兩種情況：

• 正常死亡，即：線程執(zhí)行完畢；

• 非正常死亡，即：當(dāng)滿足某個(gè)條件后，在線程內(nèi)部或者主線程中終止執(zhí)行（調(diào)用exit方法等退出）；

線程池原理

• ①、判斷核心線程池是否都正在執(zhí)行任務(wù)：

• 如果返回NO，創(chuàng)建新的工作線程去執(zhí)行；

• 如果返回YES，進(jìn)入②；

• ②、判斷線程池工作隊(duì)列是否飽滿：

• 如果返回NO，將任務(wù)存儲(chǔ)到工作隊(duì)列，等待CPU調(diào)度

• 如果返回YES，進(jìn)入③；

• ③、判斷線程池中的線程是否都處于執(zhí)行狀態(tài)：

• 如果返回NO，安排可調(diào)度線程池中空閑的線程去執(zhí)行任務(wù)

• 如果返回YES，進(jìn)入④；

• ④、交給飽和策略去執(zhí)行，分為以下四種拒絕策略：

  四種拒絕策略均實(shí)現(xiàn)的RejectedExecutionHandler接口。

• AbortPolicy：拋出RejectedExecutionExeception異常，阻止系統(tǒng)正常運(yùn)行

• CallerRunsPolicy：將任務(wù)回退到調(diào)用者

• DisOldestPolicy：丟掉等待最久的任務(wù)

• DisCardPolicy：直接丟棄任務(wù)

面試題分析

影響任務(wù)執(zhí)行速度的因素有哪些

這個(gè)問題可以從一下幾個(gè)維度分析：CPU的調(diào)度情況、任務(wù)的復(fù)雜度、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、線程狀態(tài)。

目前iOS中，線程優(yōu)先級(jí)的threadPriority屬性已經(jīng)棄用，被NSQualityOfService類型的qualityOfService所代替，看先底層的枚舉設(shè)置：

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)); </pre>

• 開發(fā)者自己指定：NSQualityOfService：服務(wù)質(zhì)量。用于表示工作的性質(zhì)和對(duì)系統(tǒng)的重要性。當(dāng)存在資源爭(zhēng)用時(shí)，使用高質(zhì)量的服務(wù)類比使用低質(zhì)量的服務(wù)類獲得更多的資源

• NSQualityOfServiceUserInteractive：用于直接涉及提供交互式UI的工作。例如：處理控制事件或在屏幕上繪圖；

• NSQualityOfServiceUserInitiated：用于執(zhí)行用戶明確要求的工作，并且為了允許進(jìn)一步的用戶交互，必須立即顯示這些工作的結(jié)果。例如：在用戶在郵件列表中選擇郵件后加載郵件；

• NSQualityOfServiceUtility：用于執(zhí)行用戶不太可能立即等待結(jié)果的工作。這項(xiàng)工作可能是由用戶請(qǐng)求的，也可能是自動(dòng)啟動(dòng)的，并且通常使用非模式進(jìn)度指示器在用戶可見的時(shí)間尺度上操作。例如：定期內(nèi)容更新或批量文件操作，如媒體導(dǎo)入；

• NSQualityOfServiceBackground：用于非用戶發(fā)起或不可見的工作。通常，用戶甚至不知道正在進(jìn)行這項(xiàng)工作。例如：預(yù)抓取內(nèi)容、搜索索引、備份或與外部系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)；

• NSQualityOfServiceDefault：表示沒有明確的服務(wù)質(zhì)量信息。只要可能，適當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量是根據(jù)可用的資源確定的。否則，使用NSQualityOfServiceUserInteractive和NSQualityOfServiceUtility之間的服務(wù)質(zhì)量級(jí)別。

• 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

• 線程分為以下兩種：

• IO密集型，頻繁等待的線程；

• CPU密集型，很少等待的線程；

• IO密集型比CPU密集型更容易得到線程優(yōu)先級(jí)的提升。

• I(Input輸入) / O(Output輸出)操作的速度是最慢的，并且等待頻繁，如果它的優(yōu)先級(jí)又低，很容易被飽和策略所淘汰；

• 為了避免這種情況，當(dāng)CPU發(fā)現(xiàn)一個(gè)頻繁等待的線程，會(huì)將其優(yōu)先級(jí)提升，從而提升線程被執(zhí)行的可能性。

• 優(yōu)先級(jí)的影響因素

• 用戶指定線程的服務(wù)質(zhì)量；

• 根據(jù)線程等待的頻繁程度提高或降低；

• 長(zhǎng)時(shí)間不執(zhí)行的線程，提升它的優(yōu)先級(jí)。

線程安全

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問同一塊資源時(shí)，很容易引發(fā)資源搶奪，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)亂和數(shù)據(jù)安全問題，有以下兩種解決方案：

互斥鎖（同步鎖）：@synchronized

自旋鎖

最常見的，當(dāng)多窗口賣票時(shí)，如下圖所示，會(huì)產(chǎn)生資源的搶奪，這時(shí)我們的常規(guī)操作就是加鎖。

互斥鎖

用于保護(hù)臨界區(qū)，確保同一時(shí)間，只有一條線程能夠執(zhí)行；

如果代碼中只有一個(gè)地方需要加鎖，大多都使用self，這樣可以避免單獨(dú)再創(chuàng)建一個(gè)鎖對(duì)象；

加了互斥鎖的代碼，當(dāng)新線程訪問時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)其他線程正在執(zhí)行鎖定的代碼，新線程就會(huì)進(jìn)入休眠。

使用互斥鎖的注意事項(xiàng)：

互斥鎖的鎖定范圍，應(yīng)該盡量小，鎖定范圍越大，效率越差；

能夠加鎖的任意NSObject對(duì)象；

鎖對(duì)象一定要保證所有的線程都能夠訪問。

自旋鎖

自旋鎖與互斥鎖類似，但它不是通過休眠使線程阻塞，而是在獲取鎖之前一直處于忙等（即原地打轉(zhuǎn)，稱為自旋）阻塞狀態(tài)；

使用場(chǎng)景：鎖持有的時(shí)間短，且線程不希望在重新調(diào)度上花太多成本時(shí)，就需要使用自旋鎖，屬性修飾符atomic，本身就有一把自旋鎖；

加入了自旋鎖，當(dāng)新線程訪問代碼時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有其他線程正在鎖定代碼，新線程會(huì)用死循環(huán)的方法，一直等待鎖定的代碼執(zhí)行完成，即不停的嘗試執(zhí)行代碼，比較消耗性能。

自旋鎖與互斥鎖異同點(diǎn)

相同點(diǎn)：

在同一時(shí)間，保證只有一條線程執(zhí)行任務(wù)，即保證了相應(yīng)同步的功能。

不同點(diǎn)：

互斥鎖：發(fā)現(xiàn)其他線程執(zhí)行，當(dāng)前線程休眠（即就緒狀態(tài)），進(jìn)入等待執(zhí)行，即掛起。一直等其他線程打開之后，然后喚醒執(zhí)行；

自旋鎖：發(fā)現(xiàn)其他線程執(zhí)行，當(dāng)前線程一直詢問（即一直訪問），處于忙等狀態(tài)，耗費(fèi)的性能比較高。

使用場(chǎng)景：

根據(jù)任務(wù)復(fù)雜度區(qū)分，使用不同的鎖，但判斷不全時(shí)，更多是使用互斥鎖去處理；

當(dāng)前的任務(wù)狀態(tài)比較短小精悍時(shí)，用自旋鎖；

反之的，用互斥鎖。

atomic & nonatomic

atomic與nonatomic的作用

atomic和nonatomic用于屬性的修飾，兩種修飾符的特定分別如下：

atomic是原子屬性，為多線程開發(fā)準(zhǔn)備的，是默認(rèn)屬性，需要消耗大量的資源

僅僅在屬性的setter方法中，增加了鎖（自旋鎖），能夠保證同一時(shí)間，只有一條線程對(duì)屬性進(jìn)行寫操作；

同一時(shí)間單線程寫，多線程讀的線程處理技術(shù)；

Mac開發(fā)中常用。

nonatomic是非原子屬性，適合內(nèi)存小的移動(dòng)設(shè)備

沒有鎖，性能高；

移動(dòng)端開發(fā)常用。

然而iOS官方建議：

所有屬性都聲明為nonatomic，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(dòng)客戶端的壓力。

atomic與nonatomic的區(qū)別

atomic

原子屬性(線程安全)，針對(duì)多線程設(shè)計(jì)的，默認(rèn)值；

保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程能夠?qū)懭?，但是同一個(gè)時(shí)間多個(gè)線程都可以取值；

atomic本身就有一把鎖（自旋鎖），支持單寫多讀。單個(gè)線程寫入，多個(gè)線程可以讀取；

線程安全，需要消耗大量的資源。

nonatomic

非原子屬性；

非線程安全，適合內(nèi)存小的移動(dòng)設(shè)備。

源碼分析

打開objc源碼，找到objc_setProperty的方法實(shí)現(xiàn)，看源碼：

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); } </pre>

接著，再進(jìn)入reallySetProperty方法，看源碼：

atomic修飾，增加了spinlock_t的鎖操作；

所以atomic是標(biāo)示，自身并不是鎖。而atomic所謂的自旋鎖，由底層代碼實(shí)現(xiàn)。

線程與Runloop的關(guān)系

Runloop與線程是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè)Runloop對(duì)應(yīng)一個(gè)核心的線程。為什么說是核心的，是因?yàn)?/span>Runloop是可以嵌套的，但核心只能有一個(gè)，它們的關(guān)系保存在一個(gè)全局的字典里；

Runloop是來管理線程的，當(dāng)線程的Runloop被開啟后，線程會(huì)在執(zhí)行完任務(wù)后進(jìn)入休眠狀態(tài)，有了任務(wù)就會(huì)被喚醒去執(zhí)行任務(wù)；

Runloop在第一次獲取時(shí)被創(chuàng)建，在線程結(jié)束時(shí)被銷毀；

主線程的Runloop，在程序啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)創(chuàng)建；

對(duì)于子線程來說，Runloop是懶加載的，只有當(dāng)我們使用的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建。所以，當(dāng)子線程使用定時(shí)器時(shí)，要確保子線程的Runloop被創(chuàng)建，不然定時(shí)器無法回調(diào)。

線程之間的通訊

在某些時(shí)候，線程可能需要處理新的工作請(qǐng)求或向您的應(yīng)用程序的主線程報(bào)告它們的進(jìn)度。在這些情況下，線程之間的通信變得必要，您需要一種將信息從一個(gè)線程獲取到另一個(gè)線程的方法。

線程之間的通信方式有很多種，每種方式都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

配置線程本地存儲(chǔ)列出了您可以在OS X中使用的最常見的通信機(jī)制。除了消息隊(duì)列和Cocoa分布式對(duì)象，這些技術(shù)在iOS中也可用。

按通訊機(jī)制的復(fù)雜度升序排列：

作者 |  每天微笑一厘米

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