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iOS开发小记-多线程篇

这两个月App被拒审,应对苹果那边花了很多心思,也花了大量时间,也对苹果审核团队有了全新高度的认识,后续计划写一下这段时间是如何与苹果斗智斗勇~

线程和进程


几乎所有的操作系统都支持同时运行多个任务,一个任务通常就是一个程序,每个运行程序就是一个进程。当一个程序运行时,内部可能包含了多个顺序执行流,每个顺序执行流就是一个线程。

  • 进程(Process)

当一个程序进入内存运行后,即变成一个进程。进程是处于运行过程中的程序,并且具有一定的独立功能,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 一般而言,进程有如下特征:

  1. 独立性:有自己独立的资源,且拥有自己私有的地址空间。在没有经过进程本身的允许下,其他进程是不能直接访问其进程的地址空间的。
  2. 动态性:程序只是静态的指令集合,而进程是一个正在系统中活动的指令集合。进程有时间的概念,具有自己的生命周期和各种状态。
  3. 并发性:多个进程可以在单个处理器上并发执行,互相不会影响。
  • 线程(Thread)

线程也被称作轻量级进程,线程是进程的执行单元。就像进程在系统中一样,线程在进程中也是独立、并发的执行流。 一个进程可以拥有多个线程,一个线程必须有一个父进程,但不再拥有系统资源,而是和父进程下的其他线程一起共享父进程的全部资源。多线程由于共享父进程的资源,所以编程更加方便;但是也需要小心线程不会影响到父进程中的其他线程。 线程是独立运行的,它并不知道其他线程的存在。线程的执行是抢占式的,也就是说,当前运行的线程在任何时候都可能被挂起,以便另外一个线程可以运行。

  • 多线程优点
  1. 进程间不可共享内存,但线程之间共享内存十分容易。
  2. 系统创建进程要为其重新分配系统资源,但创建线程代价小得多,因此效率更高。

为什么要用多线程编程


为了提高资源利用率来提升系统整体效率,实际往往是将耗时操作放在后台执行,避免阻塞主线程,在iOS中UI绘制和用户响应都是在主线程。

  • 多线程线程池的大小

Java中是cpu核数*2-1,iOS没有查到确切资料。

NSThread


常用API

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    //打印当前线程
    NSLog(@"开始:%@   优先级:%d", [NSThread currentThread], [NSThread currentThread].qualityOfService);
    
    //1.创建NSTread对象,必须调用start方法开始,并且只能传一个参数object
    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run:) object:@"test"];
    //    NSThread *thread = [[NSThread alloc] initWithBlock:^{}];
    thread.name = @"testThread";
    thread.qualityOfService = NSQualityOfServiceUserInteractive;
    [thread start];
    
    //2.直接创建并启动线程
    //    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run:) toTarget:self withObject:@"test"];
    //    [NSThread detachNewThreadWithBlock:^{}];
    
    //3.隐式直接创建
//    [NSThread performSelectorInBackground:@selector(run:) withObject:nil];
    
    //    NSLog(@"结束:%@", [NSThread currentThread]);
}

- (void)run:(NSObject *)object {
    //阻塞休眠
    //    [NSThread sleepForTimeInterval:5];
    //中止当前线程
    //    [NSThread exit];
    NSLog(@"子线程运行:%@ %@  优先级:%d", [NSThread currentThread], object, [NSThread currentThread].qualityOfService);
}
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  • 线程的状态

线程被启动后,并不是直接进入执行状态,也不是一直处于执行状态,由于多线程并发,线程会反复在运行、就绪间切换。 创建一个线程后,处于新建状态,系统为其分配内存,初始化成员变量;调用- (void)start;方法后,该线程处于就绪状态,系统为其创建方法调用栈和程序计数器,此时并没有运行,何时运行取决于系统调度。

image.png

  • 终止子线程

NSTread并没有提供方法来终止子线程,只有+ (void)exit;来终止当前线程,我们不能直接使用该方法,防止误操作终止了主线程,正确应该是调用子线程的- (void)cancel;方法用来标记子线程状态,然后在子线程的执行方法体内对isCancelled做判断,然后在调用+ (void)exit;来终止当前运行的子线程。

  • 线程优先级

每个线程都有一定的优先级,优先级越高获得执行机会越多。目前通过qualityOfService属性来设置,原来的threadPriority由于语义不够清晰,已经被废弃了。

NSQualityOfServiceUserInteractive:最高优先级,主要用于提供交互UI的操作,比如处理点击事件,绘制图像到屏幕上
NSQualityOfServiceUserInitiated:次高优先级,主要用于执行需要立即返回的任务
NSQualityOfServiceDefault:默认优先级,当没有设置优先级的时候,线程默认优先级
NSQualityOfServiceUtility:普通优先级,主要用于不需要立即返回的任务
NSQualityOfServiceBackground:后台优先级,用于完全不紧急的任务
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  • 缺点

使用NSThread进行多线程编程较复杂,需要自己控制多线程的同步、并发,还需要自己控制线程的终止销毁,稍不留神就容易出现错误,对开发者要求较高,一般较少使用。

NSOperation


iOS还提供了NSOperation与NSOperationQueue来实现多线程,是基于 GCD 更高一层的封装,完全面向对象。但是比 GCD 更简单易用、代码可读性也更高。

NSOperationQueue:负责管理系统提交的多个NSOperation ,底层维护了一个线程池。不同于 GCD 中的调度队列 FIFO(先进先出)的原则。NSOperationQueue 对于添加到队列中的操作,首先进入准备就绪的状态(就绪状态取决于操作之间的依赖关系),然后进入就绪状态的操作的开始执行顺序(非结束执行顺序)由操作之间相对的优先级决定(优先级是操作对象自身的属性)。

NSOperation:代表一个多线程任务。

  • 为什么要使用 NSOperation、NSOperationQueue?
  1. 可添加完成的代码块,在操作完成后执行。
  2. 添加操作之间的依赖关系,方便的控制执行顺序。
  3. 设定操作执行的优先级。
  4. 可以很方便的取消一个操作的执行。
  5. 使用 KVO 观察对操作执行状态的更改:isExecuteing、isFinished、isCancelled。
  • 常用API
    NSOperationQueue *queue;
    //获取执行当前NSOperation的NSOperationQueue队列
    //    queue = [NSOperationQueue currentQueue];
    //获取主线程的NSOperationQueue队列
    //    queue = [NSOperationQueue mainQueue];
    //自定义队列
    queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
    //队列名
    queue.name = @"testOperationQueue";
    //最大并发操作数(系统有限制,即使设置很大,也会自动调整)
    queue.maxConcurrentOperationCount = 10;
    //设置优先级
    queue.qualityOfService = NSQualityOfServiceDefault;
    
    //自定义NSOperation,如果SEL和Block为空,系统不会加入到指定队列
    NSInvocationOperation *invocationOperation = [[NSInvocationOperation alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run) object:nil];
    NSBlockOperation *blockOperation = [NSBlockOperation blockOperationWithBlock:^{
        NSLog(@"blockOperation");
    }];
    //添加依赖关系,invocationOperation执行完后才执行blockOperation
    [blockOperation addDependency:invocationOperation];
    //添加到队列中
    //    [queue addOperation:invocationOperation];
    [queue addOperations:@[invocationOperation, blockOperation] waitUntilFinished:NO];
    //直接添加代码块任务
    [queue addOperationWithBlock:^{
        
    }];
    
    //打印所有的NSOperation
    for(int i=0; i<queue.operationCount; i++) {
        NSLog(@"队列%@的第%d个NSOperation:%@", queue.name, i, queue.operations[i]);
    }
    
    //终止所有NSOperation
    //    [queue cancelAllOperations];
    //执行完所有NSOperation才能解除阻塞当前线程
    //    [queue waitUntilAllOperationsAreFinished];
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GCD(Grand Central Dispatch)

  • 基本概念
  1. 队列:队列负责开发者提交的任务,不过不同任务的执行时间不一样,先处理的任务不一定先完成。队列即可是串行的,也可是并行的,队列底层会维持一个线程池来处理任务,串行队列只需要维护一个线程即可,并行队列则需要维护多个线程。
  2. 任务:用户提交给队列的工作单元,这些任务将会提交给队列底层维护的线程池。
  3. 异步:可以在新的线程中执行任务,但不一定会开辟新的线程。dispatch函数会立即返回, 然后Block在后台异步执行。
  4. 同步:在当前线程执行任务,不会开辟新的线程。必须等到Block函数执行完毕后,dispatch函数才会返回。

注:队列的串行和并行决定了任务以何种方式执行,执行的异步和同步决定是否需要开辟新线程处理任务。

  • 特点
  1. GCD 可用于多核的并行运算
  2. GCD 会自动利用更多的 CPU 内核(比如双核、四核)
  3. GCD 会自动管理线程的生命周期(创建线程、调度任务、销毁线程)
  4. 程序员只需要告诉 GCD 想要执行什么任务,不需要编写任何线程管理代码。
  • 常用API
    /** 获取队列 */
    dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0);//获取指定优先级的全局并发队列(flag填0即可,仅预留的参数,使用其他值可能会返回null)
    dispatch_queue_t queue1 = dispatch_queue_create("testQueue1", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);//创建自定义并行队列
    dispatch_queue_t queue2 = dispatch_get_main_queue();//获取系统主线程关联的串行队列
    dispatch_queue_t queue3 = dispatch_queue_create("testQueue3", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);//创建自定义串行队列
    
    /** 提交任务 */
    dispatch_async(queue, ^{
        
    });//异步提交代码块到并发队列
    
    dispatch_sync(queue1, ^{
        
    });//同步提交代码块到自定义并发队列
    
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(5*NSEC_PER_SEC)), queue2, ^{
        
    });//异步提交代码块到串行队列,线程池将在指定时间执行代码块(实际是5秒后加入到队列中,实际并不一定会立马执行,一般精度要求下是没问题的)
    
    dispatch_apply(5, queue3, ^(size_t time) {
        
    });//异步提交代码到自定义串行队列,同步函数,无论是在串行还是并行队列中执行,都要执行完才返回,所以要防止线程阻塞和死锁,time表示当前是第几次(如果提交给并发队列,会启动五个线程来执行)
    
    static dispatch_once_t onceToken; //实际是个long类型变量,用于判断该代码块是否被执行过
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        
    });//主线程执行一次代码块

    //等group执行完后,才能执行下一步
    dispatch_group_wait(group, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    /** 组(用于需要等待多个任务全部执行完再进行下一步) */
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        
    });//并发执行的代码块1
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        
    });//并发执行的代码块2
    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
        
    });//等待两个代码块执行完汇总
    
    /** 栅栏(用于需要依次执行完多个线程组) */
    //并发队列异步执行代码块1,2
    dispatch_async(queue, ^{
        //代码块1
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        //代码块2
    });
    //1,2执行完后才会执行3,4
    dispatch_barrier_async(queue, ^{
        
    });
    //并发队列异步执行代码块3,4
    dispatch_async(queue, ^{
        //代码块3
    });
    dispatch_async(queue, ^{
        //代码块4
    });

    /** 信号量(用于控制线程的等待和执行) */
    //创建信号量,value表示初始信号总量,支持多少个操作来执行
    dispatch_semaphore_t t = dispatch_semaphore_create(1);
    //发送一个信号,让信号总量+1
    dispatch_semaphore_signal(t);
    //使信号总量-1,如果总量为0,则会一直等待(阻塞所在线程),直到总量大于0则继续执行
    dispatch_semaphore_wait(t, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    /*1.可以将异步执行变为同步执行,如需要等待下载完后再直接返回数据(我们也可以通过block回调)*/
    //总信号量设置为0
    dispatch_semaphore_t t1 = dispatch_semaphore_create(0);
    //执行耗时代码
    void (^downloadTask)(void) = ^ {
        //下载图片
        ...
        ...
        //完成后发送信号量
        dispatch_semaphore_signal(t1);
    };
    downloadTask();
    //一直等到信号量计数为1才执行下一步,也就是等到图片下载完后
    dispatch_semaphore_wait(t1, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    
    /*2.保证线程安全*/
    //设置信号量初始计数为1,保证只能有一个操作能进来
    dispatch_semaphore_t t2 = dispatch_semaphore_create(1);
    //相当于加锁,消耗使用计数,如果已经被一个线程使用,后续只能挂起等待信号量回复
    dispatch_semaphore_wait(t2, DISPATCH_TIME_FOREVER);
    //执行业务代码
    ...
    ...
    //解锁
    dispatch_semaphore_signal(t2);
    
    /*3.模拟NSOperationQueue的最大并发操作数*/
    //最大并发操作支持10
    dispatch_semaphore_t t3 = dispatch_semaphore_create(10);
    //剩余操作同上,其实就是类似于将NSOperationQueue的maxConcurrentOperationCount设置为10
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  • 后台运行

在App程序进入后台时,我们应该尽量释放内存和保存用户数据或者状态信息。在默认情况下,应用仅有5秒钟处理这些工作,我们可以通过调用UIApplicationbeginBackgroundTaskWithExpirationHandler方法来申请延长处理时间,最多有十分钟。

- (void)applicationDidEnterBackground:(UIApplication *)application {
    //声明关闭后台任务代码块
    void (^endBackgroundTask)(UIBackgroundTaskIdentifier backgroudTask) = ^(UIBackgroundTaskIdentifier backgroudTask) {
        [[UIApplication sharedApplication] endBackgroundTask:backgroudTask];
        backgroudTask = UIBackgroundTaskInvalid;
    };
    
    //开启后台任务
    __block UIBackgroundTaskIdentifier backgroudTask;
    backgroudTask = [[UIApplication sharedApplication] beginBackgroundTaskWithExpirationHandler:^{
        //十分钟内仍然没有完成,系统处理终止句柄
        endBackgroundTask(backgroudTask);
    }];
    
    //执行相关代码
    
    //结束后台任务
    endBackgroundTask(backgroudTask);
}
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  • 线程死锁
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(), ^{
        NSLog(@"%@", [NSThread currentThread]);
    });
}
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在主队列中增加同步代码块,就会造成死锁,由于同步是需要立即顺序执行的,上述代码中,Block中的方法需要在viewDidLoad结束后才能完成,但是viewDidLoad想要结束又必须得先结束Block中的方法,所以相互永久等待,造成了死锁。

  • GCD会造成循环引用吗?

直接使用GCD的相关API一般是不会的,block结束后没有循环引用的条件,YYKit的Issues下有个有趣的讨论:dispatch_async的block里面需要__weak self 吗?

  • 注意
  1. 同步执行会在当前线程执行任务,不具备开辟线程的能力或者说没有必要开辟新的线程。并且,同步执行必须等到Block函数执行完毕,dispatch函数才会返回,从而阻塞同一串行队列中外部方法的执行。
  2. 异步执行dispatch函数会直接返回,只有异步执行才有开辟新线程的必要,但是异步执行不一定会开辟新线程。
  3. 想要开辟新线程必须让任务在异步执行,想要开辟多个线程,只有让任务在并行队列中异步执行才可以。执行方式和队列类型多层组合在一定程度上能够实现对于代码执行顺序的调度。
  4. 同步+串行:未开辟新线程,串行执行任务;同步+并行:未开辟新线程,串行执行任务;异步+串行:新开辟一条线程,串行执行任务;异步+并行:开辟多条新线程,并行执行任务;在主线程中同步使用主队列执行任务,会造成死锁。

线程安全

线程安全主要是由于系统的线程调度具有一定的随机性造成的,由于是多并发,多个线程同时对一份数据进行读写,就可能在读取执行一半的时候另外一个线程去写入,导致数据异常。

  • 线程安全的类的特征
  1. 该类的对象可以被多个线程安全访问。
  2. 每个线程调用对象的任意方法都会得到正确的结果。
  3. 每个线程调用对象的任意方法之后,该对象仍保持合理状态。
  • @synchronized(同步锁、互斥锁)

为了解决这个问题,Objective-C的多线程支持引入同步,使用@synchronized修饰代码块,被修饰的代码块可简称为同步代码块。语法格式如下:

@synchronized (obj) {
    //同步代码块
}
复制代码

其中obj就是同步监视器,当一个线程执行同步前,必须先获得同步监视器的锁定,任何时刻只能有一个线程获得锁定,执行完成后,才会释放,如果此时有新线程访问,那么新线程会进入休眠状态。通常推荐使用可能被并发访问的的共享资源作为同步监视器。

  • NSLock

除了上面的同步代码块,还支持显示的同步锁NSLock,在需要加锁的代码块首尾使用- (void)lock;- (void)unlock;来加锁和释放锁。

  • 自旋锁

当新线程访问代码时,如果发现有其他的线程正在访问,新线程会用死循环的方式去等待当前线程的访问结束,比较耗性能,例如atomic就是采用的自旋锁。 可以使用OSSpinLock,但是有安全问题,iOS10以后可以使用os_unfair_lock

  • 读写锁
//加读锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
//解锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
//加写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
//解锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
复制代码
  • 递归锁
  • 条件锁
  • 为了减少线程安全的负面影响,应使用何种策略?
  1. 只对有可能会造成资源竞争的方法进行同步。
  2. 提供非线程安全和线程安全两个版本,单线程中使用非线程安全版本。

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并发编程:API 及挑战

iOS开发中的11种锁以及性能对比

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