iOS多线程总结——多线程相关概念及NSObject/NSThread的使用

Posted 2022-12-07 SSIrreplaceable

一. 多线程的相关概念

1. 什么是进程？

在操作系统发展的早期，为了提高资源利用率，使程序在多道程序下能并发执行，并对并发执行的程序加以控制和描述，在操作系统中引入了进程的概念。多道程序技术最早用于多道批处理系统，系统内可以同时存在多道作业，但同一时刻，系统只处理一道作业，作业根据系统的调度算法执行，每一个作业又由若干个程序组成，每个程序都可以完成独立的任务，且一个作业里面的程序是按顺序先后执行的，一个正在运行的程序称作一个进程，一个作业相当于系统中的一条执行任务的路径。在现代操作系统中，一个进程是指操作系统中正在运行的一个应用程序，是系统进行资源分配和调度的基本单位，每一个进程之间都是独立的，每一个进程均运行在其专用且受保护的内存空间内。

2. 什么是线程？

在60年代操作系统中能拥有资源和独立运行的基本单位是进程，然而随着计算机技术的发展，进程出现了很多弊端，一是由于进程是资源拥有者，创建、撤消与切换存在较大的时空开销，因此需要引入轻型进程；二是由于对称多处理机(SMP)出现，可以满足多个运行单位，而多个进程并行开销过大。因此在80年代，即通用计算机系统发展的年代，出现了能独立运行的基本单位——线程(Threads)。在现代操作系统中，一个进程想要执行任务，必须得有线程，进程的所有任务都是在线程中执行，一个线程中任务的执行是串行的(即是按顺序的)，一个线程要执行多个任务，只能一个一个地按顺序执行这些任务(指令代码)，一个线程相当于进程中的一条执行任务的路径；一个进程可以有多条线程，但不能没有线程，至少要有一条线程(主线程)。线程是进程内一个相对独立的、可调度的执行单元，是系统独立调度和分派CPU的基本单位指运行中的程序的调度单位。

3. 什么是多线程？

在60年代操作系统，进程是系统拥有资源和独立运行的基本单位，它的创建、撤消与切换存在较大的时空开销，在80年代后的操作系统，为提高提高程序的执行效率，降低时空开销，引进线程的概念。多进程技术也是在这个时候出现的，具有多线程能力的计算机系统能够在同一时间执行多条线程。线程是系统独立调度和分派CPU的基本单位，在单处理机计算机系统中，多个线程是并发执行的，即系统中的多个线程根据线程调度算法快速地调度执行，如果调度的时间足够快，就造成多个线程并发执行的假象，但在同一时间，只有一条线程在执行；在有多个处理机或者有多核心处理器的计算机系统中，如果线程的数目小于处理机的数目(或小于处理器的核心数)，多个线程一般是并行的(以线程调度算法而定)，反之，线程一部分是并行一部分并发执行。

4. 多线程的优缺点

(1). 优点
能适当提高程序的执行效率
能适当提高资源利用率（CPU、内存利用率）

(2). 缺点
创建线程是有开销的，ios下主要成本包括：内核数据结构（大约1KB）、栈空间（子线程512KB、主线程1MB，也可以使用 -setStackSize: 方法设置，但必须是4K的倍数，而且最小是16K），创建线程大约需要90毫秒的创建时间，如果开启大量的线程，每条线程被调度执行的频次会降低（线程的执行效率降低），会降低程序的性能，且线程越多CPU在调度线程上的开销就越大，程序设计也更加复杂（比如线程之间的通信、多线程的数据共享更复杂）。

结论：线程不是开启越多越好，而是合适就好，一般一个程序开3条左右比较合理。

5. 什么是主线程？

在有多线程技术的操作系统中，当一个程序启动时，就有一个进程被操作系统创建，与此同时一个线程也立刻运行，该线程通常叫做程序的主线程(Main Thread)，在iOS中称为“UI线程”。在iOS中主线程的主要作用是显示\\刷新UI界面，处理UI事件(比如点击事件、滚动事件、拖拽事件等)。一般开发中不把耗时的操作放到主线程，因为耗时操作会卡住主线程，严重影响UI的流畅度，给用户一种“卡”的坏体验。主线程关系着整个应用程序的开始和结束，一般主线程终止了，进程也就随之终止。

6. 什么是子线程？

一个进程中，如果有多条线程，处了主线程外，都称为子线程(也叫后台线程或非主线程)。在单核CPU下，子线程和主线程会并发执行，在多核CPU下，可能会并行执行。子线程和主线程的执行没有先后，会根据系统的算法调度执行。iOS中子线程的作用一般用来处理一些耗时操作，或者可以通过多条子线程进行快速遍历。

注意：子线程在创建时只是申请了内存程序空间，但还并没有真正分配给二级线程，只有当子线程执行代码需要空间时才会真正分配。

7. iOS中多线程的实现方案

二. 多线程的实现

这里主要介绍：NSObject\\NSThread\\GCD\\NSOperation，因为在iOS中pthread几乎不用，所以这里不进行介绍。

(一). NSObject

NSObject也可以创建多线程，因为Apple给NSObject实现了一个关于线程的分类 NSObject (NSThreadPerformAdditions)

@interface NSObject (NSThreadPerformAdditions)

// 用于线程通信，子线程传到主线程
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(nullable NSArray<NSString *> *)array;

// 用于线程通信，子线程传到主线程，默认的运行时模式:kCFRunLoopCommonModes
- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;

// 用于线程之间的通信
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait modes:(nullable NSArray<NSString *> *)array NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 用于线程之间的通信
- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(nullable id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 隐式创建线程，默认的运行时模式:kCFRunLoopCommonModes
- (void)performSelectorInBackground:(SEL)aSelector withObject:(nullable id)arg NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

@end

(二). NSThread

1. 线程的创建与启动

// 创建线程
- (void)createThread 

    // 创建线程,NSThread的创建方法
    // 一个NSThread对象就是一个线程
    SJMNSThread *thread = [[SJMNSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(run:) object:@"sjm"];

    // 设置线程的名字
    thread.name = @"线程";
    NSLog(@"%@",thread);

    // 启动线程
    // 线程一启动，就会在线程thread中执行self的run方法
    [thread start];



// 线程任务
- (void)run:(NSString *)string 

    // 获取当前线程
    NSThread *thread = [NSThread currentThread];
    thread.name = @"子线程";

    NSLog(@"%@-----%@",string,[NSThread currentThread]);

2. 其他创建线程的方法

// 创建线程后自动启动线程
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(run) toTarget:self withObject:nil];

// 隐式创建并启动线程，此方法来自NSObject的分类 NSObject (NSThreadPerformAdditions)
[self performSelectorInBackground:@selector(run) withObject:nil];

上述2种创建线程方式的优缺点

• 优点：简单快捷
• 缺点：无法在线程创建时对线程进行更详细的设置，只能在run方法中进行设置，即获取当前线程对象进行设置。

3. 退出线程

退出线程的方式有cancle和exit方法

(1). 两者的区别：

• 使用cancle方法退出线程，线程不会马上退出，会在某些线程堵塞的情况下退出，但也不一定，它的退出是未知的。
• 使用exit方法退出线程，线程会强制马上退出，exit方法没有给线程清理自己并释放资源的时间，可能会造成资源泄露。

(2). 退出线程的做法：

• 调用cancel方法，并把线程变量赋值为nil。
• 也可以cancle和exit结合使用，使用cancle进行标记，使用exit退出。

4. NSThread的接口

@interface NSThread : NSObject  
@private
    id _private;
    uint8_t _bytes[44];


// 获取当前线程
+ (NSThread *)currentThread;

// 创建新线程
+ (void)detachNewThreadSelector:(SEL)selector toTarget:(id)target withObject:(nullable id)argument;

// 是否是多线程
+ (BOOL)isMultiThreaded;

/** 
*   每个线程都维护了一个“键-值”的字典,它可以在线程里面的任何地方被访问,
*   可以使用该字典来保存一些信息,这些信息在整个线程的执行过程中都保持不变。
*   比如,可以使用它来存储在整个线程过程中RunLoop里面多次迭代的状态信息。
*   使用：通过threadDictionary方法获取一个NSMutableDictionary对象，然后添加需要的字段和数据
*/
@property (readonly, retain) NSMutableDictionary *threadDictionary;

// 设置线程睡眠/堵塞
+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;

// 设置线程睡眠/堵塞
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;

// 结束/退出进程
+ (void)exit;

// 获取线程的优先级
+ (double)threadPriority;

// 设置线程优先级，取值范围0.0~1.0
+ (BOOL)setThreadPriority:(double)p;

// 线程优先级，iOS8以后推荐使用qualityOfService属性，通过量化的优先级枚举值来设置
@property double threadPriority; 

/** 线程优先级
    qualityOfService的枚举值如下：
    NSQualityOfServiceUserInteractive：最高优先级，用于用户交互事件
    NSQualityOfServiceUserInitiated：次高优先级，用于用户需要马上执行的事件
    NSQualityOfServiceDefault：默认优先级，主线程和没有设置优先级的线程都默认为这个优先级
    NSQualityOfServiceUtility：普通优先级，用于普通任务
    NSQualityOfServiceBackground：最低优先级，用于不重要的任务
*/
@property NSQualityOfService qualityOfService;

// 返回当前线程在栈中所占的地址所组成的数组
+ (NSArray<NSNumber *> *)callStackReturnAddresses NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 返回栈空间的符号表
+ (NSArray<NSString *> *)callStackSymbols NS_AVAILABLE(10_6, 4_0);

// 线程名称
@property (nullable, copy) NSString *name NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 栈的所占空间大小
@property NSUInteger stackSize NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 是否是主线程
@property (readonly) BOOL isMainThread NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 判断当前线程是否是主线程
+ (BOOL)isMainThread NS_AVAILABLE(10_5, 2_0); // reports whether current thread is main

// 获取主线程
+ (NSThread *)mainThread NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 初始化线程
- (instancetype)init NS_AVAILABLE(10_5, 2_0) NS_DESIGNATED_INITIALIZER;

// 初始化线程
- (instancetype)initWithTarget:(id)target selector:(SEL)selector object:(nullable id)argument NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 是否正在执行
@property (readonly, getter=isExecuting) BOOL executing NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 是否执行完毕
@property (readonly, getter=isFinished) BOOL finished NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 是否已经取消/中止
@property (readonly, getter=isCancelled) BOOL cancelled NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 取消线程，不能再开始
- (void)cancel NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

// 开始线程
- (void)start NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

/** main是线程入口
*  - (void)main的使用：
*  1. 一般创建线程会子类化NSThread，重写main方法，把关于线程执行的方法都写在里面，这样可以在任何需要这个线程方法的地方直接使用。
*  2. 把线程执行的方法写在main里，是因为线程的操作应该属于线程的本身，而不是每次使用都通过initWithTarget:selector:object:方法，且再一次实现某个方法。
*  3. 当重写了main方法后，同时使用initWithTarget:selector:object:方法初始化，调用某个方法执行任务，系统默认只执行main方法里面的任务。
*  4. 如果直接使用NSThread创建线程，线程内执行的方法都是在当前的类文件里面的。
*/
- (void)main NS_AVAILABLE(10_5, 2_0);

@end

5. 多线程的状态

计算机中的线程在内存中得可调度线程池中，每一条线程都有5个状态。

注意：一旦线程停止（死亡）了，就不能再次开启任务。

---

(1). 启动线程

// 进入就绪状态或直接进入运行状态。当线程任务执行完毕，自动进入死亡状态
- (void)start;

(2). 阻塞（暂停）线程

// 进入阻塞状态
// 堵塞到遥远未来，系统会自动杀死线程，[NSThread sleepUntilDate:[NSDate distantFuture]];
// 堵塞到遥远的过去，线程不会堵塞，[NSThread sleepUntilDate:[NSDate distantPast]];
+ (void)sleepUntilDate:(NSDate *)date;
+ (void)sleepForTimeInterval:(NSTimeInterval)ti;

(3). 强制停止线程

// 进入死亡状态
+ (void)exit;

6. 多线程的安全隐患

• 线程同步：多条线程在同一条线上执行（按顺序地执行任务）
• 互斥锁：就是使用了线程同步技术

(1). 资源共享 - 数据错乱

1块资源可能会被多个线程共享，也就是多个线程可能会访问同一块资源，比如多个线程访问同一个对象、同一个变量、同一个文件，当多个线程访问同一块资源时，很容易引发数据错乱和数据安全问题。

(2). 安全隐患解决 – 互斥锁

• 互斥锁使用格式
  

  // 注意：锁定1份代码只用1把锁，用多把锁是无效的。
  @synchronized(锁对象) // 需要锁定的代码
  
  提示： “锁对象”也被称为一个“信号量”。当一个线程要执行这段代码时，它会检查其他的线程是否也在访问“锁对象”，如果没有线程在访问“锁对象”，这块代码会被执行；否则这段线程会被限制访问直到这个互斥锁解除为止。

• 互斥锁的优缺点：

  优点：能有效防止因多线程抢夺资源造成的数据安全问题
  缺点：需要消耗大量的CPU资源

• 互斥锁的使用前提：多条线程抢夺同一块资源

补充： iOS中有两种加锁方式，即NSLock与NSCondition，之后又通过@synchronized替代了NSLock复杂的书写方式，确保线程同步。

(3). 原子和非原子属性

• OC在定义属性时有nonatomic和atomic两种选择

  atomic：原子属性，为setter方法加锁（默认就是atomic）
  nonatomic：非原子属性，不会为setter方法加锁

• nonatomic和atomic对比

  atomic：线程安全，需要消耗大量的资源
  nonatomic：非线程安全，适合内存小的移动设备

• iOS开发的建议

  所有属性都声明为nonatomic，尽量避免多线程抢夺同一块资源，尽量将加锁、资源抢夺的业务逻辑交给服务器端处理，减小移动客户端的压力。

7. 多线程的通信

(1). 什么叫做线程间通信

在1个进程中，线程往往不是孤立存在的，多个线程之间需要经常进行通信

(2). 线程间通信的体现

• 1个线程传递数据给另1个线程
• 在1个线程中执行完特定任务后，转到另1个线程继续执行任务

(3). 线程间通信常用方法

- (void)performSelectorOnMainThread:(SEL)aSelector withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;

- (void)performSelector:(SEL)aSelector onThread:(NSThread *)thr withObject:(id)arg waitUntilDone:(BOOL)wait;

(4). 以前常用线程通信

• NSPort
• NSMessagePort
• NSMachPort

8. 线程的通信实例

实例：点击按钮，添加网络图片

注意：在Xcoed7后，使用dataWithContentsOfURL加载网络数据为出错

App Transport Security has blocked a cleartext HTTP (http://) resource load since it is insecure. Temporary exceptions can be configured via your app's Info.plist file.

解决方法：是在Info.plist中添加参数

• 在 Info.plist 中添加 NSAppTransportSecurity，类型为 Dictionary 。
• 在 NSAppTransportSecurity 下添加 NSAllowsArbitraryLoads， 类型为 Boolean，值设为 YES。

实例界面(加载图片后)：

具体代码：

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()

@property (weak, nonatomic) IBOutlet UIImageView *imageView;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad 
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.


- (IBAction)btnClick:(id)sender 

    // 创建线程
    [NSThread detachNewThreadSelector:@selector(imageLoad) toTarget:self withObject:nil];



// 线程执行任务
- (void)imageLoad 

    // 从网络下载图片
    NSURL *url = [NSURL URLWithString:@"http://img.51ztzj.com/upload/image/20140618/sj201406181009_279x419.jpg"];
    NSData *data = [NSData dataWithContentsOfURL:url];
    UIImage *image = [UIImage imageWithData:data];


    // 线程通信，子线程把image传给主线程
    // waitUntilDone:是否等主线程执行完setImage:后子线程才往下执行
//    [self performSelectorOnMainThread:@selector(showImage:) withObject:image waitUntilDone:YES];
//    [self performSelector:@selector(showImage:) onThread:[NSThread mainThread] withObject:image waitUntilDone:YES];

    // setImage:是self.imageView属性image的setter方法
//    [self.imageView performSelectorOnMainThread:@selector(setImage:) withObject:image waitUntilDone:NO];
    [self.imageView performSelector:@selector(setImage:) onThread:[NSThread mainThread] withObject:image waitUntilDone:NO];



    NSLog(@"---%s---",__func__);


- (void)showImage:(UIImage *)image 

    _imageView.image = image;

    NSLog(@"%s---%@",__func__,[NSThread currentThread]);


@end