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資源準備

• 多線程蘋果官方文檔

• objc源碼下載：多個版本的objc源碼

線程和進程

線程和進程的定義

什么是進程

• 進程是指在系統中正在運行的一個應用程序；

• 每個進程都是獨立的，每個進程均運行在其專用的且受保護的內存空間中；

• 通過活動監視器可查看 Mac 系統中所開啟的進程；

• MAC是多進程的，iOS是單進程的。

什么是線程

• 線程是進程的基本執行單元，一個進程中的所以任務都在線程中執行；

• 進程要想執行任務，必須得有線程，一個進程至少要有一條線程；

• 程序啟動會默認開啟一條線程，這條線程稱之為主線程或UI線程；

進程中包含多個線程，進程負責任務的調度，線程負責任務的執行。在iOS中并不支持多進程，所有程序都是單一進程運行，進程之間相互獨立。

線程與進程的關系

進程與線程的關系，涉及地址空間和資源擁有兩個方面：

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

資源擁有：同一進程的線程共享本進程的資源，如：內存、IO、CPU等，而進程與進程之間的資源是獨立的。

兩者的使用特點：

• ①、一個進程崩潰后，在保護模式下不會對其他進程產生影響，但一個線程崩潰會導致整個進程都死掉。所以多進程要比多線程健壯；

• ②、進程切換時，消耗的資源大，效率高。所以涉及到頻繁的切換時，使用線程要好于進程。如果要求同時進行并且又要共享某些變量的并發操作，只能用線程不能用進程；

• ③、執行過程：每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。但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；

• ④、線程是處理器調度的基本單位，但是進程不是；

• ⑤、線程沒有地址空間，線程包含在進程地址空間中；

線程局部存儲（TLS）

線程局部存儲全稱：Thread Local Storage：線程是沒有地址空間的，但是存在線程局部存儲。線程局部存儲是某些操作系統為線程單獨提供的私有空間，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tls的初始化操作，如下圖：

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在 tls_init 中的詳細實現：

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多線程

多線程的原理

iOS中的多線程，由CPU在多個任務之間進行快速切換，CPU調度線程的時間足夠快，就造成了多線程的 同時 執行的效果；所以，多線程并不是真正的并發。而真正的并發，必須建立在多核CPU的基礎上；

多線程的意義

優點：

線程上的任務執行完后，線程會自動銷毀。

適當提高資源的利用率(CPU、內存等)。

適當提高執行效率。

缺點

程序設計更加復雜（如線程間的通訊，多線程的數據共享等）。

線程越多，CPU在調度線程上的開銷越大。

如果開啟大量線程，會占用大量內存空間，降低程序性能。

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

時間片

時間片的定義： CPU在多個任務之間進行快速切換，這個時間間隔就是時間片。

• 單核CPU同一時間，CPU只能處理1個線程

• 換言之，同一時間只有1個線程在執行。

• 多線程同時執行：

• 是CPU快速的在多個線程之間的切換。

• CPU調度線程的時間足夠快，就造成了多線程的同時執行的效果。

• 如果線程數非常多，CPU會在N個線程之間切換，消耗大量的CPU資源。

• 每個線程被調度的次數會降低，線程的執行效率會降低。

線程的成本

線程在內存使用和性能方面，需要消耗程序和系統一定的代價；

每個線程都需要在內核的內存空間和程序的內存空間中進行分配內存；

管理線程和協調線程，需要調度所需的核心結構，使用有限內存存儲在內核中；

線程的堆棧空間和每個線程的數據存儲在程序的內存空間中；

大多數結構都是在第一次創建線程時，創建和初始化的 ---- 由于需要與內核進行交互，這個進程的開銷相對較大。

以下表格中，量化了在應用程序中創建一個新的用戶級線程的大約成本。其中一些成本是可配置的，比如分配給次級線程的堆棧空間量。創建線程的時間成本是一個粗略的近似值，應該僅用于彼此之間的相對比較。線程創建時間的差異很大，這取決于處理器負載、計算機的速度以及可用的系統和程序內存的數量。

線程創建成本：

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多線程技術方案

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C 與 OC 的橋接

• __bridge只做類型轉換，但是不修改對象(內存)管理權。

• __bridge_retained(也可以使用CFBridgingRetain)將Objective-C的對象轉換為Core Foundation的對象，同時將對象(內存)的管理權交給我們，后續需要使用CFRelease或者相關方法來釋放對象。

• __bridge_transfer(也可以使用CFBridgingRelease)將Core Foundation的對象 轉換為Objective-C的對象，同時將對象(內存)的管理權交給ARC。

線程生命周期

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• 新建：實例化線程對象；

• 就緒：線程對象調用start方法，將線程對象加入可調度線程池，等待CPU的調用（調用start方法并不會立即執行，而是進入就緒狀態，之后會經過CPU的調度，才會進入運行狀態）；

• 運行：CPU負責調度可調度線程池中線程的執行，在線程執行完成之前，其狀態可能會在就緒和運行之間來回切換，這個變化是由CPU負責；

• 阻塞：當滿足某個預定條件時，可以使用休眠，即：sleep，或者同步鎖，阻塞線程執行。當進入sleep時，會重新將線程加入就緒中。下面關于休眠的時間設置，都是NSThread的API：

• sleepUntilDate：阻塞當前線程，直到指定的時間為止，即休眠到指定時間；

• sleepForTimeInterval：在給定的時間間隔內休眠線程，即指定休眠時長；

• 同步鎖：@synchronized(self)；

• 死亡：分為兩種情況：

• 正常死亡，即：線程執行完畢；

• 非正常死亡，即：當滿足某個條件后，在線程內部或者主線程中終止執行（調用exit方法等退出）；

線程池原理

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• ①、判斷核心線程池是否都正在執行任務：

• 如果返回NO，創建新的工作線程去執行；

• 如果返回YES，進入②；

• ②、判斷線程池工作隊列是否飽滿：

• 如果返回NO，將任務存儲到工作隊列，等待CPU調度

• 如果返回YES，進入③；

• ③、判斷線程池中的線程是否都處于執行狀態：

• 如果返回NO，安排可調度線程池中空閑的線程去執行任務

• 如果返回YES，進入④；

• ④、交給飽和策略去執行，分為以下四種拒絕策略：

  四種拒絕策略均實現的RejectedExecutionHandler接口。

• AbortPolicy：拋出RejectedExecutionExeception異常，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

面試題分析

影響任務執行速度的因素有哪些

這個問題可以從一下幾個維度分析：CPU的調度情況、任務的復雜度、任務的優先級、線程狀態。

目前iOS中，線程優先級的threadPriority屬性已經棄用，被NSQualityOfService類型的qualityOfService所代替，看先底層的枚舉設置：

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>

• 開發者自己指定：NSQualityOfService：服務質量。用于表示工作的性質和對系統的重要性。當存在資源爭用時，使用高質量的服務類比使用低質量的服務類獲得更多的資源

• 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：用于執行用戶明確要求的工作，并且為了允許進一步的用戶交互，必須立即顯示這些工作的結果。例如：在用戶在郵件列表中選擇郵件后加載郵件；

• NSQualityOfServiceUtility：用于執行用戶不太可能立即等待結果的工作。這項工作可能是由用戶請求的，也可能是自動啟動的，并且通常使用非模式進度指示器在用戶可見的時間尺度上操作。例如：定期內容更新或批量文件操作，如媒體導入；

• NSQualityOfServiceBackground：用于非用戶發起或不可見的工作。通常，用戶甚至不知道正在進行這項工作。例如：預抓取內容、搜索索引、備份或與外部系統同步數據；

• NSQualityOfServiceDefault：表示沒有明確的服務質量信息。只要可能，適當的服務質量是根據可用的資源確定的。否則，使用NSQualityOfServiceUserInteractive和NSQualityOfServiceUtility之間的服務質量級別。

• 優先級反轉

• 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先級的提升。

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

• 為了避免這種情況，當CPU發現一個頻繁等待的線程，會將其優先級提升，從而提升線程被執行的可能性。

• 優先級的影響因素

• 用戶指定線程的服務質量；

• 根據線程等待的頻繁程度提高或降低；

• 長時間不執行的線程，提升它的優先級。

線程安全

當多個線程同時訪問同一塊資源時，很容易引發資源搶奪，造成數據錯亂和數據安全問題，有以下兩種解決方案：

互斥鎖（同步鎖）：@synchronized

自旋鎖

最常見的，當多窗口賣票時，如下圖所示，會產生資源的搶奪，這時我們的常規操作就是加鎖。

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互斥鎖

用于保護臨界區，確保同一時間，只有一條線程能夠執行；

如果代碼中只有一個地方需要加鎖，大多都使用self，這樣可以避免單獨再創建一個鎖對象；

加了互斥鎖的代碼，當新線程訪問時，如果發現其他線程正在執行鎖定的代碼，新線程就會進入休眠。

使用互斥鎖的注意事項：

互斥鎖的鎖定范圍，應該盡量小，鎖定范圍越大，效率越差；

能夠加鎖的任意NSObject對象；

鎖對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，稱為自旋）阻塞狀態；

使用場景：鎖持有的時間短，且線程不希望在重新調度上花太多成本時，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，當新線程訪問代碼時，如果發現有其他線程正在鎖定代碼，新線程會用死循環的方法，一直等待鎖定的代碼執行完成，即不停的嘗試執行代碼，比較消耗性能。

自旋鎖與互斥鎖異同點

相同點：

在同一時間，保證只有一條線程執行任務，即保證了相應同步的功能。

不同點：

互斥鎖：發現其他線程執行，當前線程休眠（即就緒狀態），進入等待執行，即掛起。一直等其他線程打開之后，然后喚醒執行；

自旋鎖：發現其他線程執行，當前線程一直詢問（即一直訪問），處于忙等狀態，耗費的性能比較高。

使用場景：

根據任務復雜度區分，使用不同的鎖，但判斷不全時，更多是使用互斥鎖去處理；

當前的任務狀態比較短小精悍時，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，為多線程開發準備的，是默認屬性，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），能夠保證同一時間，只有一條線程對屬性進行寫操作；

同一時間單線程寫，多線程讀的線程處理技術；

Mac開發中常用。

nonatomic是非原子屬性，適合內存小的移動設備

沒有鎖，性能高；

移動端開發常用。

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、資源搶奪的業務邏輯交給服務器端處理，減小移動客戶端的壓力。

atomic與nonatomic的區別

atomic

原子屬性(線程安全)，針對多線程設計的，默認值；

保證同一時間只有一個線程能夠寫入，但是同一個時間多個線程都可以取值；

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

線程安全，需要消耗大量的資源。

nonatomic

非原子屬性；

非線程安全，適合內存小的移動設備。

源碼分析

打開objc源碼，找到objc_setProperty的方法實現，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，再進入reallySetProperty方法，看源碼：

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atomic修飾，增加了spinlock_t的鎖操作；

所以atomic是標示，自身并不是鎖。而atomic所謂的自旋鎖，由底層代碼實現。

線程與Runloop的關系

Runloop與線程是一一對應的，一個Runloop對應一個核心的線程。為什么說是核心的，是因為Runloop是可以嵌套的，但核心只能有一個，它們的關系保存在一個全局的字典里；

Runloop是來管理線程的，當線程的Runloop被開啟后，線程會在執行完任務后進入休眠狀態，有了任務就會被喚醒去執行任務；

Runloop在第一次獲取時被創建，在線程結束時被銷毀；

主線程的Runloop，在程序啟動時默認創建；

對于子線程來說，Runloop是懶加載的，只有當我們使用的時候才會創建。所以，當子線程使用定時器時，要確保子線程的Runloop被創建，不然定時器無法回調。

線程之間的通訊

在某些時候，線程可能需要處理新的工作請求或向您的應用程序的主線程報告它們的進度。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線程獲取到另一個線程的方法。

線程之間的通信方式有很多種，每種方式都有自己的優點和缺點。

配置線程本地存儲列出了您可以在OS X中使用的最常見的通信機制。除了消息隊列和Cocoa分布式對象，這些技術在iOS中也可用。

按通訊機制的復雜度升序排列：

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