iOS探索 多線程原理

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寫在前面

多線程在iOS中有着舉足輕重的地位，不要覺得UI仔就不須要了解線程了，不光能在面試中吹噓兩句，使用得當更能保證app的質量

1、進程、線程與隊列

1.進程的定義

• 進程是指在系統中正在運行的一個應用程序，如微信、支付寶app都是一個進程
• 每一個進程之間是獨立的，每一個進程均運行在齊專用的且受保護的內存

2.線程的定義

• 線程是進程的基本執行單元，一個進程的全部任務都在線程中執行
• 進程想要執行任務，必須得有線程，進程至少要有一條線程
• 程序啓動會默認開啓一條線程，這條線程被成爲主線程或UI線程

3.進程與線程的關係和區別

• 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：同一進程內的線程共享本進程的資源如內存、I/O、cpu等，可是進程之間的資源是獨立的
• 一個進程崩潰後，在保護模式下不會對其餘進程產生影響，可是一個線程崩潰整個進程都死掉，因此多進程要比多線程健壯
• 進程切換時，消耗的資源大、效率高。因此設計到頻繁的切換時，使用線程要好於進程。一樣若是要求同時進行而且又要共享某些變量的併發操做，只能用線程而不能用進程
• 執行過程：每一個獨立的進程有一個程序運行的入口、順序執行序列和程序入口。可是線程不能獨立執行，必須依存在應用程序中，由應用程序提供多個線程執行控制
• 線程是處理器調度的基本單位，但進程不是

可能會以爲這些理論知識很抽象，百度出來一大堆可是都很差理解，看完下面的理解就全明白了

4.進程與線程的關係圖

能夠把 iOS系統想象成 商場， 進程則是商場中的 店鋪， 線程是店鋪僱傭的 員工：

• 進程之間的相互獨立
  • 奶茶店看不到果汁店的帳目（訪問不了別的進程的內存）
  • 果汁店用不了奶茶店的波霸（進程之間的資源是獨立的）
• 進程至少要有一條線程
  • 店鋪至少要有一個員工（進程至少有一個線程）
  • 早上開店門的員工（至關於主線程）
• 進程/線程崩潰的狀況
  • 奶茶店倒閉了並不會牽連果汁店倒閉（進程崩潰不會對其餘進程產生影響）
  • 奶茶店的收銀員不幹了會致使奶茶店沒法正常運做（線程崩潰致使進程癱瘓）

移動開發不必定是單進程處理的，android就是多進程處理的；而iOS採用沙盒機制，這也是蘋果運行可以流暢安全的一個主要緣由

5.隊列的定義

隊列，又稱爲佇列（queue），是先進先出（FIFO： First-In-First-Out）的線性表，在具體應用中一般用鏈表或者數組來實現。裝載線程任務的隊形結構。隊列只容許在後端（稱爲rear）進行插入操做，在前端（稱爲front）進行刪除操做。隊列的操做方式和堆棧相似，惟一的區別在於隊列只容許新數據在後端進行添加

關於隊列會在下一篇文章詳細介紹

6.隊列和線程的關係

二者是沒有關係的，能夠這麼理解：

• 隊列負責調度任務，線程執行任務

• 在銀行（進程）中，有4個工做窗口（線程），而只有一條隊伍（隊列）

• 窗口（線程）只負責爲排隊的人辦理業務，並不會管隊伍（隊列）是怎麼排的

7.線程和runloop的關係

• runloop與線程是一一對應的——一個runloop對應一個核心的線程，爲何說是核心的，是由於runloop是能夠嵌套的，可是核心的只能有一個，他們的關係保存在一個全局的字典裏
• runloop是來管理線程的——當線程的runloop被開啓後，線程會在執行完任務後進入休眠狀態，有了任務就會被喚醒去執行任務
• runloop在第一次獲取時被建立，在線程結束時被銷燬
  • 對於主線程來講，runloop在程序一啓動就默認建立好了
  • 對於子線程來講，runloop是懶加載的——只有當咱們使用的時候纔會建立，因此在子線程用定時器要注意：確保子線程的runloop被建立，否則定時器不會回調

8.影響任務執行速度的因素

如下因素都會對任務的執行速度形成影響：

• cpu的調度
• 線程的執行速率
• 隊列狀況
• 任務執行的複雜度
• 任務的優先級

2、多線程

1.多線程原理

• 同一時間，CPU只能處理一條線程，只有一條線程在工做（執行）
• 多線程併發（同時）執行，其實就是CPU執行快速地在多條線程之間調度（切換）

2.多線程意義

• 優勢
  • 能適當提升程序的執行效率
  • 能適當提升資源的利用率（CPU、內存）
  • 線程上的任務執行完成後，線程會自動銷燬
• 缺點
  • 開啓線程須要佔用必定的內存空間（默認狀況下，每個線程都佔512KB，建立線程大約須要90毫秒的建立時間）
  • 若是開啓大量的線程，會佔用大量的內存空間，下降程序的性能
  • 線程越多，CPU在調用線程上的開銷就越大
  • 程序設計更加複雜，好比線程間的通訊、多線程的數據共享

2.多線程生命週期

多線程的生命週期是：新建 - 就緒 - 運行 - 阻塞 - 死亡

• 新建：實例化線程對象
• 就緒：向線程對象發送start消息，線程對象被加入可調度線程池等待CPU調度。
• 運行：CPU 負責調度可調度線程池中線程的執行。線程執行完成以前，狀態可能會在就緒和運行之間來回切換。就緒和運行之間的狀態變化由CPU負責，程序員不能干預。
• 阻塞：當知足某個預約條件時，可使用休眠或鎖，阻塞線程執行。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，線程執行完畢。非正常死亡，當知足某個條件後，在線程內部停止執行/在主線程停止線程對象

4.線程池的原理

• 若線程池大小小於核心線程池大小時
  • 建立線程執行任務
• 若線程池大小大於等於核心線程池大小時
  1. 先判斷線程池工做隊列是否已滿
  2. 若沒滿就將任務push進隊列
  3. 若已滿時，且maximumPoolSize>corePoolSize，將建立新的線程來執行任務
  4. 反之則交給飽和策略去處理

參數名	表明意義
corePoolSize	線程池的基本大小（核心線程池大小）
maximumPool	線程池的最大大小
keepAliveTime	線程池中超過corePoolSize樹木的空閒線程的最大存活時間
unit	keepAliveTime參數的時間單位
workQueue	任務阻塞隊列
threadFactory	新建線程的工廠
handler	當提交的任務數超過maxmumPoolSize與workQueue之和時， 任務會交給RejectedExecutionHandler來處理

飽和策略有以下四個：

• AbortPolicy直接拋出RejectedExecutionExeception異常來阻止系統正常運行
• CallerRunsPolicy將任務回退到調用者
• DisOldestPolicy丟掉等待最久的任務
• DisCardPolicy直接丟棄任務

4.多線程實現方案

技術方案	簡介	語言	線程生命週期	使用評率
pthread	一套通用的多線程API 適用於Unix/Linux/Windows等系統 跨平臺/可移植 使用難度大	C	程序員管理	幾乎不用
NSThread	使用更加面向對象 簡單易用，可直接操做線程對象	OC	程序員管理	偶爾使用
GCD	旨在替代NSThread等線程技術 充分利用設備的多核	C	自動管理	常用
NSOperation	基於GCD（底層是GCD） 比GCD多了一些更簡單實用的功能 使用更加面向對象	OC	自動管理	常用

5.GCD和NSOperation的區別

• GCD僅僅支持FIFO隊列，不支持異步操做之間的依賴關係設置。而NSOperation中的隊列能夠被從新設置優先級，從而實現不一樣操做的執行順序調整
• NSOperation支持KVO，能夠觀察任務的執行狀態
• GCD更接近底層，GCD在追求性能的底層操做來講，是速度最快的
• 從異步操做之間的事務性，順序行，依賴關係。GCD須要本身寫更多的代碼來實現，而NSOperation已經內建了這些支持
• 若是異步操做的過程須要更多的被交互和UI呈現出來，NSOperation更好；底層代碼中，任務之間不太互相依賴，而須要更高的併發能力，GCD則更有優點

6.線程間通信

• 直接消息傳遞: 經過performSelector的一系列方法，能夠實現由某一線程指定在另外的線程上執行任務。由於任務的執行上下文是目標線程，這種方式發送的消息將會自動的被序列化
• 全局變量、共享內存塊和對象: 在兩個線程之間傳遞信息的另外一種簡單方法是使用全局變量，共享對象或共享內存塊。儘管共享變量既快速又簡單，可是它們比直接消息傳遞更脆弱。必須使用鎖或其餘同步機制仔細保護共享變量，以確保代碼的正確性。 不然可能會致使競爭情況，數據損壞或崩潰。
• 條件執行: 條件是一種同步工具，可用於控制線程什麼時候執行代碼的特定部分。您能夠將條件視爲關守，讓線程僅在知足指定條件時運行。
• Runloop sources: 一個自定義的 Runloop source 配置可讓一個線程上收到特定的應用程序消息。因爲 Runloop source 是事件驅動的，所以在無事可作時，線程會自動進入睡眠狀態，從而提升了線程的效率
• Ports and sockets:基於端口的通訊是在兩個線程之間進行通訊的一種更爲複雜的方法，但它也是一種很是可靠的技術。更重要的是，端口和套接字可用於與外部實體（例如其餘進程和服務）進行通訊。爲了提升效率，使用 Runloop source 來實現端口，所以當端口上沒有數據等待時，線程將進入睡眠狀態
• 消息隊列: 傳統的多處理服務定義了先進先出（FIFO）隊列抽象，用於管理傳入和傳出數據。儘管消息隊列既簡單又方便，可是它們不如其餘一些通訊技術高效
• Cocoa 分佈式對象: 分佈式對象是一種 Cocoa 技術，可提供基於端口的通訊的高級實現。儘管能夠將這種技術用於線程間通訊，可是強烈建議不要這樣作，由於它會產生大量開銷。分佈式對象更適合與其餘進程進行通訊，儘管在這些進程之間進行事務的開銷也很高

寫在後面

本文初步介紹了多線程，下篇文章講解多線程中的主角——GCD