iOS 多線程：[pthread，NSThread]詳細總結(jié)

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本文主要用來介紹iOS 多線程中，pthread，NSThread 的使用方法及實現(xiàn)
第一部分：pthread 的使用，其他相關(guān)方法。
第二部分：NSThread 的使用，線程相關(guān)用法，線程狀態(tài)控制方法，線程之間的通信，線程安全和線程同步，以及線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換等相關(guān)知識。

1.pthread

1.1 pthread簡介

pthread 是一套通用的多線程的 API，可以在Unix / Linux / Windows 等系統(tǒng)跨平臺使用，使用 C 語言編寫，需要程序員自己管理線程的生命周期，使用難度較大，我們在 iOS 開發(fā)中幾乎不使用 pthread，但是還是來可以了解一下的。

引自 百度百科
POSIX線程（POSIX threads），簡稱Pthreads，是線程的POSIX標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了創(chuàng)建和操縱線程的一整套API。在類Unix操作系統(tǒng)（Unix、Linux、Mac OS X等）中，都使用Pthreads作為操作系統(tǒng)的線程。Windows操作系統(tǒng)也有其移植版pthreads-win32

1.2 pthread使用方法
  1. 首先要包含頭文件#import<pthread.h>
  2. 其次要創(chuàng)建線程，并開啟線程執(zhí)行任務(wù)。
// 1. 創(chuàng)建線程: 定義一個pthread_t類型變量
pthread_t thread;
// 2. 開啟線程: 執(zhí)行任務(wù)
pthread_create(&thread, NULL, run, NULL);
// 3. 設(shè)置子線程的狀態(tài)設(shè)置為 detached，該線程運行結(jié)束后會自動釋放所有資源
pthread_detach(thread);

void * run(void *param)    // 新線程調(diào)用方法，里邊為需要執(zhí)行的任務(wù)
{
    NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);

    return NULL;
}
  • pthread_create(&thread, NULL, run, NULL)中各項參數(shù)含義
    • 第一個參數(shù)&thread是線程對象，指向線程標(biāo)識符的指針
    • 第二個是線程屬性，可賦值NULL
    • 第三個run表示指向函數(shù)的指針（run 對應(yīng)函數(shù)里是需要再新線程中執(zhí)行的任務(wù)）
    • 第四個是運行函數(shù)的參數(shù)，可賦值為 NULL
1.3 pthread 其他相關(guān)方法
  • pthread_create() 創(chuàng)建一個線程
  • pthread_exit() 終止當(dāng)前線程
  • pthread_cancel() 中斷另外一個線程的運行
  • pthread_join() 阻塞當(dāng)前的線程，直到另外一個線程運行結(jié)束
  • pthread_attr_init() 初始化線程的屬性
  • pthread_attr_setdetachstate() 設(shè)置線程脫離狀態(tài)的屬性（決定這個線程在終止時是否可以被結(jié)合）
  • pthread_attr_getdetachstate() 獲取脫離狀態(tài)的屬性
  • pthread_attr_destory() 刪除線程的屬性
  • pthread_kill() 向線程發(fā)送一個信號

2. NSThread

NSThread 是蘋果官方提供的，使用起來比 pthread 更加面向?qū)ο螅唵我子茫梢灾苯硬僮骶€程對象。不過也需要需要程序員自己管理線程的生命周期(主要是創(chuàng)建)，我們在開發(fā)的過程中偶爾使用 NSThread。比如我們會經(jīng)常調(diào)用[NSThread currentThread]來顯示當(dāng)前的進程信息。

接下來我們了解一下 NSThread 如何使用

2.1 先創(chuàng)建線程，再啟動線程
  • 先創(chuàng)建線程，再啟動線程
- (void)createThread {
    // 創(chuàng)建線程
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
    // 啟動線程
    [thread start];
}

- (void)run {
    NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
}

運行結(jié)果

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  • 創(chuàng)建線程后自動啟動線程
- (void)createAutoThread {
    // 創(chuàng)建線程后自動啟動線程
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];
}

運行結(jié)果

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  • 隱式創(chuàng)建并啟動線程
- (void)createPrivacyThread {
    // 隱式創(chuàng)建并啟動線程
    [self performSelector:@selector(run) withObject:nil];
}

運行結(jié)果

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2.2 線程相關(guān)方法
  • mainThread 獲取主線程
  • isMainThread 判斷是否為主線程（對象方法，類方法）
  • [NSThread currentThread]獲得當(dāng)前線程
  • setName 設(shè)置線程的名字
  • name 獲取線程的名字
2.3 線程狀態(tài)控制方法
  • 啟動線程方法
// 線程進入就緒狀態(tài) -> 運行狀態(tài)。當(dāng)線程任務(wù)執(zhí)行完畢，自動進入死亡狀態(tài)
- (void)start;
  • 阻塞（暫停）線程方法
// 線程進入阻塞狀態(tài) 
+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;
  • 強制停止線程
// 線程進入死亡狀態(tài)
+ (void)exit;
2.4 線程之間的通信

在開發(fā)中，我們經(jīng)常會在子線程進行耗時操作，操作結(jié)束后再回到主線程去刷新 UI。這就涉及到了子線程和主線程之間的通信。我們先來了解一下官方關(guān)于 NSThread 的線程間通信的方法。

// 在主線程上執(zhí)行操作
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray<NSString *> *)array;
  // equivalent to the first method with kCFRunLoopCommonModes

// 在指定線程上執(zhí)行操作
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(NSArray *)array NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 在當(dāng)前線程上執(zhí)行操作，調(diào)用 NSObject 的 performSelector:相關(guān)方法
- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;

我們通過一個下載圖片 demo 來展示線程之間的通信，步驟如下

  1. 開啟一個子線程，在子線程中下載圖片
  2. 回到主線程刷新 UI，將圖片展示在 UIImageView 中
/**
 創(chuàng)建一個線程下載圖片
 */
- (void)downloadImageOnSubThread {
    // 在創(chuàng)建的子線程中調(diào)用downloadImage下載圖片
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(downloadImage) toTarget:self withObject:nil];
}

/**
 下載圖片操作
 */
- (void)downloadImage {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 1. 獲取圖片 imageUrl
    NSURL *imageUrl = [NSURL URLWithString:@"https://ysc-demo-1254961422.file.myqcloud.com/YSC-phread-NSThread-demo-icon.jpg"];
    
    // 2. 從 imageUrl 中讀取數(shù)據(jù)(下載圖片) -- 耗時操作
    NSData *imageData = [NSData dataWithContentsOfURL:imageUrl];
    // 通過二進制 data 創(chuàng)建 image
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:imageData];
    
    // 3. 回到主線程進行圖片賦值和界面刷新
    [self performSelectorOnMainThread:@selector(refreshOnMainThread:) withObject:image waitUntilDone:YES];
}

/**
 回到主線程刷新圖片

 @param image 圖片
 */
- (void)refreshOnMainThread:(UIImage *)image {
    NSLog(@"current thread -- %@", [NSThread currentThread]);
    
    // 賦值圖片到imageview
    _imgView.image = image;
}
2.5 NSThread 線程安全和線程同步

線程安全：如果你的代碼所在的進程中有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。如果每次運行結(jié)果和單線程運行的結(jié)果是一樣的，而且其他的變量的值也和預(yù)期的是一樣的，就是線程安全的。

若每個線程中對全局變量、靜態(tài)變量只有讀操作，而無寫操作，一般來說，這個全局變量是線程安全的；若有多個線程同時執(zhí)行寫操作（更改變量），一般都需要考慮線程同步，否則的話就可能影響線程安全。

線程同步：可理解為線程 A 和 線程 B 一塊配合，A 執(zhí)行到一定程度時要依靠線程 B 的某個結(jié)果，于是停下來，示意 B 運行；B 依言執(zhí)行，再將結(jié)果給 A；A 再繼續(xù)操作。

下面，我們模擬火車票售賣的方式，實現(xiàn) NSThread 線程安全和解決線程同步問題。

場景：總共有50張火車票，有兩個售賣火車票的窗口，一個是廣州火車票售賣窗口，另一個是龍巖火車票售賣窗口。兩個窗口同時售賣火車票，賣完為止。

2.5.1 NSThread 非線程安全

先看看不安全的代碼

/**
 初始化火車票數(shù)量、賣票窗口(非線程安全)、并開始賣票
 */
- (void)initTicketStatusNotSave {
    _ticketSurplusCount = 50;
    
    // 設(shè)置廣州窗口賣票線程
    NSThread *ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    ticketSaleWindow1.name = @"廣州火車票售票窗口";
    
    // 設(shè)置龍巖窗口賣票線程
    NSThread *ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketNotSafe) object:nil];
    ticketSaleWindow2.name = @"龍巖火車票售票窗口";
    
    // 開始售賣火車票
    [ticketSaleWindow1 start];
    [ticketSaleWindow2 start];
}

/**
 售賣火車票(非線程安全)
 */
- (void)saleTicketNotSafe {
    while (1) {
        //如果還有票，繼續(xù)售賣
        if (_ticketSurplusCount > 0) {
            _ticketSurplusCount --;
            NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票數(shù)：%d 窗口：%@", _ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
            [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
        } else {  //如果已賣完，關(guān)閉售票窗口
            NSLog(@"所有火車票均已售完");
            break;
        }
    }
}

運行結(jié)果

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可以看到在不考慮線程安全的情況下，得到的票數(shù)是錯亂的，這樣顯然不符合我們需求，所以我們需要考慮線程安全問題。

2.5.2 NSThread 線程安全

線程安全解決方案：可以給線程加鎖，在一個線程執(zhí)行該操作的時候，不允許其他線程進行操作。iOS 實現(xiàn)線程加鎖有很多種方式。@synchronized、 NSLock、NSRecursiveLock、NSCondition、NSConditionLock、pthread_mutex、dispatch_semaphore、OSSpinLock、atomic(property) set/ge等等各種方式。為了簡單起見，這里不對各種鎖的解決方案和性能做分析，只用最簡單的@synchronized來保證線程安全，從而解決線程同步問題。

考慮線程安全代碼

/**
 初始化火車票數(shù)量、賣票窗口(線程安全)、并開始賣票
 */
- (void)initTicketStatusSave {
    _ticketSurplusCount = 50;
    
    // 設(shè)置廣州窗口賣票線程
    NSThread *ticketSaleWindow1 = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    ticketSaleWindow1.name = @"廣州火車票售票窗口";
    
    // 設(shè)置龍巖窗口賣票線程
    NSThread *ticketSaleWindow2 = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(saleTicketSafe) object:nil];
    ticketSaleWindow2.name = @"龍巖火車票售票窗口";
    
    // 開始售賣火車票
    [ticketSaleWindow1 start];
    [ticketSaleWindow2 start];
}

/**
 售賣火車票(非線程安全)
 */
- (void)saleTicketSafe {
    while (1) {
        // 互斥鎖
        @synchronized(self) {
            //如果還有票，繼續(xù)售賣
            if (_ticketSurplusCount > 0) {
                _ticketSurplusCount --;
                NSLog(@"%@", [NSString stringWithFormat:@"剩余票數(shù)：%d 窗口：%@", _ticketSurplusCount, [NSThread currentThread].name]);
                [NSThread sleepForTimeInterval:0.2];
            } else {  //如果已賣完，關(guān)閉售票窗口
                NSLog(@"所有火車票均已售完");
                break;
            }
        }
    }
}

運行結(jié)果


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可以看出，在考慮了線程安全的情況下，加鎖之后，得到的票數(shù)是正確的，沒有出現(xiàn)混亂的情況，即解決了多個線程同步的問題。

2.6 線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

當(dāng)我們新建一條線程NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];在內(nèi)存中的表現(xiàn)為：

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當(dāng)調(diào)用[thread start];后，系統(tǒng)把線程對象放入可調(diào)度線程池中，線程對象進入就緒狀態(tài)，如下圖所示。

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當(dāng)然，可調(diào)度線程池中，會有其他的線程對象，如下圖所示。在這里我們只關(guān)心左邊的線程對象。

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下面我們來看看當(dāng)前線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

  • 如果CPU現(xiàn)在調(diào)度當(dāng)前線程對象，則當(dāng)前線程對象進入運行狀態(tài)，如果CPU調(diào)度其他線程對象，則當(dāng)前線程對象回到就緒狀態(tài)。
  • 如果CPU在運行當(dāng)前線程對象的時候調(diào)用了sleep方法\等待同步鎖，則當(dāng)前線程對象就進入了阻塞狀態(tài)，等到sleep到時\得到同步鎖，則回到就緒狀態(tài)。
  • 如果CPU在運行當(dāng)前線程對象的時候線程任務(wù)執(zhí)行完畢\異常強制退出，則當(dāng)前線程對象進入死亡狀態(tài)。

當(dāng)前線程對象的狀態(tài)變化如下圖所示。

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本文參考iOS多線程：『pthread、NSThread』詳盡總結(jié)，非常感謝該作者。

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