前言

本文的目的在于了解 进程、线程、多线程、线程池 等的基本概念及原理

线程和进程的定义

线程

线程是进程的基本执行单元，一个进程的所有任务都在线程中执行
进程要想执行任务，必须得有线程，一个进程至少要有一条线程
程序启动会默认开启一条线程，这条线程被称为主线程 或者 UI线程

进程

进程 是指在 系统中正在运行的一个应用程序
每个进程之间是独立的，每个进程均运行在其专用的且受保护的内存空间内
通过活动监视器可以查看Mac系统中所开启的线程

所以，可以简单的理解为：进程是线程的容器，而线程是用来执行任务的。在iOS中是单进程开发，一个进程就是一个APP，进程之间是相互独立的，如：微信、支付宝、qq等，这些都属于不同的进程。

进程和线程的关系

进程和线程之间的关系主要涉及两个方面：

地址空间

同一个进程的线程共享本进程的地址空间
而进程之间则是独立的地址空间

资源拥有

同一个进程内线程共享进程的资源，如内存、I/O、cpu等
但是进程之间资源是独立的

进程和线程的关系就相当于工厂和流水线的关系，工厂和工厂之间是相互独立的，而工厂中的流水线是共享工厂的资源的，即进程相当于一个工厂，线程相当于工厂中的一条流水线

针对进程和线程，还有以下几点说明：

1、多进程要比多线程健壮

一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响
而一个线程崩溃后整个进程都死掉

2、使用场景：频繁切换、并发操作

进程切换时，小号的资源大、效率高，所以设计到频繁切换时，使用线程要好与进程
同样，如果要求同时进行并又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程

3、执行过程

每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口
但是线程不能独立执行，必须依赖存在应用程序中，由应用程序提供多个线程来执行控制

4、线程是处理器调度的基本单元，但进程不是

5、线程没有地址空间，线程包含在进程的地址空间中

线程和 Runloop 的关系

runloop与线程是一一对应的，一个runloop对应一个核心的线程，为什么说核心的，是因为runloop是可以嵌套的，但是核心的只能有一个，他们的关系保存在一个全局的字典里
runloop是用来管理线程的，当线程的runloop被开启后，线程会在执行完任务后进入休眠状态，有了任务就会被唤醒去执行任务。
runloop在第一次获取时被创建，在线程结束时被销毁
对于主线程来说，runloop在程序已启动就默认创建好了
对于子线程来说，runloop是来加载的，只有当我们使用的时候才会创建，所以在子线程使用定时器要注意，确保子线程的runloop被创建，不然定时器不会回调

多线程

多线程原理

对于 单核CPU，同一时间，CPU只能处理一条线程，即只有一条线程在工作
iOS中的多线程同时执行，其本质是CPU在多个任务间直接进行快速切换，由于CPU调度线程的时间足够快，就造成了多线程同时执行的效果，其中奇幻的时间间隔就是时间片

多线程意义

优点

能适当提高程序的执行效率
能适当提高资源的利用率，如CPU、内存
线程上的任务执行完成后，线程会自动销毁

缺点

开启线程需要占用一定的内存空间，默认情况下，每一个线程占用512KB
如果开启大量线程，会占用大量的内存空间，降低程序的性能
线程越多，CPU在调用线程上的开销越大
程序设计更加复杂，比如线程间的通信，多线程的数据共享

多线程生命周期

多线程的声明周期主要分为五个部分：新建-就绪-运行-阻塞-死亡，如下图所示：

新建：主要是实例化线程对象
就绪：线程对象 调用start方法，将线程对象 加入可调度线程池，等待CPU的调用，即 调用start方法，并不会立即执行，进入 就绪状态，需要等待一段时间，经CPU调度后才执行，也就是从就绪状态进入 运行状态
运行：CPU负责调度可调度线程的执行，在线程执行完成之前，其状态可能会在就绪和运行之间来回切换，这个变化是由CPU负责，开发人员不能干预
阻塞：当满足某个预定条件时，可以 使用休眠、即sleep、或者同步锁，阻塞线程执行，当进入sleep时，会重新将 线程加入就绪 中，下面关于休眠的时间设置，都是 NSThread 的
- sleepUnilDate ：阻塞当前线程，直到指定的时间为止，即 `休眠到指定时间
- sleepForTimeInerval：在给定的时间间隔内休眠线程，即 指定休眠时长
- 同步锁：@synchronized(self)
死亡：分为两种情况
- 正常死亡，即线程执行完毕
- 非正常死亡，即当满足某个条件后，在线程内部（或主线程中）终止执行（调用exit方法等退出）
简要说明：就是处于 运行中的线程 拥有一段可以执行的事件（成为 时间片）
- 如果 时间片用尽，线程就会进入 就绪状态队列
- 如果 时间片没有用尽，且需要开始 等待某事件，就会进入 阻塞状态队列
- 等待事件发生后，线程又重新进入 就绪状态队列
- 每当一个 线程离开运行，即执行完毕或者强制退出后，会重新 从就绪状态队列中选择一个线程继续执行

线程的 exit 和 cancel 说明：
exit：一旦强行终止线程，后续的所有代码都不会执行

- cancel：取消当前线程，但是不能取消正在执行的线程

【面试题】线程的优先级越高，是不是意味着任务的执行越快？

答：并不是，线程执行的快慢，除了要看优先级，还需要查看 资源的大小（即任务的复杂度）、以及 CPU调度 情况，在NSThread中，线程优先级 threadPriority 已经被服务质量 qualityOfService 取代，一下是相关的枚举值：

线程池的原理

【第一步】判断核心线程是否都正在执行任务
- 返回NO，创建新的工作线程去执行
- 返回YES，进入【第二步】
【第二步】判断线程池工作队列是否已经饱满
- 返回NO，将任务存储到工作队列，等待CPU调度
- 返回YES，进入【第三步】
【第三步】判断线程池中的线程是否都出于执行状态
- 返回NO，安排可调度线程池中空闲的线程去执行任务
- 返回YES，进入【第四步】
【第四步】交给饱和策略去执行，主要有以下四种（在iOS中并没有找到以下4中策略）
- AbortPolicy：直接抛出RejectedExecutionExeception异常来阻止系统正常运行
- CallerRunsPolicy ：将任务回退到调用者
- DisOldestPolicy：丢掉等待最久的任务
- DisCardPolicy：直接丢弃任务

iOS中多线程的实现方案

iOS中的多线程实现方式，主要有四种：pthread、NSThread、GCD、NSOperation，汇总如图所示：

方案	简介	语言	线程的声明周期	使用频率
Pthread	1、一套通用的多线程API 2、使用与Unix/Linus/windows等系统 3、跨平台、可移植 4、使用难度大	C	程序员管理	几乎不用
NSThread	1、使用更加面向对象 2、使用简单，可直接操作线程对象	OC	程序员管理	偶尔使用
GCD	1、旨在替代GCD等线程技术 2、充分利用设备的多核	C	自动管理	经常使用
NSOperation	1、基于GCD（底层是GCD） 2、比GCD多了一些更简单实用的功能 3、使用更加面向对象	OC	自动管理	经常使用

下面是四种方案的简单示例：

// *********1: pthread*********
pthread_t threadId = NULL;
//c字符串
char *cString = "HelloCode";
/**
 pthread_create 创建线程
 参数：
 1. pthread_t：要创建线程的结构体指针，通常开发的时候，如果遇到 C 语言的结构体，类型后缀 `_t / Ref` 结尾
 同时不需要 `*`
 2. 线程的属性，nil(空对象 - OC 使用的) / NULL(空地址，C 使用的)
 3. 线程要执行的`函数地址`
 void *: 返回类型，表示指向任意对象的指针，和 OC 中的 id 类似
 (*): 函数名
 (void *): 参数类型，void *
 4. 传递给第三个参数(函数)的`参数`
 */
int result = pthread_create(&threadId, NULL, pthreadTest, cString);
if (result == 0) {
    NSLog(@"成功");
} else {
    NSLog(@"失败");
}
    
//*********2、NSThread*********
[NSThread detachNewThreadSelector:@selector(threadTest) toTarget:self withObject:nil];
    
//*********3、GCD*********
dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
    [self threadTest];
});
    
//*********4、NSOperation*********
[[[NSOperationQueue alloc] init] addOperationWithBlock:^{
    [self threadTest];
}];

// 函数方法
- (void)threadTest{
    NSLog(@"begin");
    NSInteger count = 1000 * 100;
    for (NSInteger i = 0; i < count; i++) {
        // 栈区
        NSInteger num = i;
        // 常量区
        NSString *name = @"zhang";
        // 堆区
        NSString *myName = [NSString stringWithFormat:@"%@ - %zd", name, num];
        NSLog(@"%@", myName);
    }
    NSLog(@"over");
}

void *pthreadTest(void *para){
    // 接 C 语言的字符串
    // NSLog(@"===> %@ %s", [NSThread currentThread], para);
    // __bridge 将 C 语言的类型桥接到 OC 的类型
    NSString *name = (__bridge NSString *)(para);
    
    NSLog(@"===>%@ %@", [NSThread currentThread], name);
    
    return NULL;
}

C 和 OC 的桥接

其中涉及C与OC的桥接，有以下几点说明

__bridge只做类型转换，但是不修改对象（内存）管理权
__bridge_retained(也可以使用CFBridgingRetain)将Object-C的对象转换为Core Foundation的对象，同时将对象（内存）的管理权交给我们，后续需要使用 CFRelease或相关方法来释放对象
__bridge_transfer(也可以使用 CFBridgingRelease)将 Core Foundation 的对象转换为 Object-C的对象，同时将 对象（内存）的管理权交给ARC

线程安全问题

当多个线程同时访问一块内存资源时，容易引发数据错乱和数据安全问题，有以下两种解决方案：

互斥锁（即同步锁）：@synchronized
自旋锁

互斥锁

用于保护临界区，确保 同一时间，只有一条线程能够执行
如果代码中 只有一个地方需要加锁，大多数都使用 self，这样可以避免单独再创建一个锁对象
加入互斥锁的代码，当新线程访问时，如果发现其他线程正在执行锁定的代码，新线程就会进入 休眠

针对互斥锁，还需要注意以下几点：

互斥锁的 锁定范围，应该尽量小，锁定范围越大，效率越差
能够 加锁的任意 NSObject 对象
锁对象一定要保证所有的线程都能够访问

自旋锁

自旋锁 与 互斥锁 类似，但它不是通过休眠使线程阻塞，而是 在获取锁之前一直处于忙等（即原地打转，成为自旋）阻塞状态
使用场景：锁持有的时间短，切线程不希望在重新调度上花太多成本时，就需要使用自旋锁，属性修饰符 atomic，本身就有一把 自旋锁
加入了自旋锁，当新线程访问代码时，如果发现有其他线程正在锁定代码，新线程会用 死循环 的方法，一直等待锁定的代码执行完成，即 不停的尝试执行代码，比较消耗性能

【面试题】：自旋锁 vs 互斥锁

同：在同一时间，保证了只有一条线程执行任务，即保证了相应 同步 的功能
不同：
- 互斥锁：发现其他线程执行，当前线程休眠（即就绪状态） ，进入等待执行，即挂起，一直等其他线程打开后，然后唤醒执行
- 自旋锁：发现其他线程执行，当前线程 一直询问（即一直访问），处于忙等状态，耗费的性能比较高
场景：根据任务复杂度区分，使用不同的锁，但判断补全时，更多的是使用互斥锁去处理
- 当前的任务状态比较 短小精悍时，用自旋锁
- 反之的，用互斥锁

atomic 原子锁 & nonatomic 非原子锁

atomic 和 nonatomic 主要用于属性的修饰，以下是相关的一些说明：

atomic 是 原子属性，是为 多线程开发准备的，是默认属性
- 仅仅在属性的 setter 方法中，增加了 锁（自旋锁），能够 保证同一时间，只有一条线程 对属性进行 写 操作
- 同一时间单（线程）写多（线程）读 的 线程处理技术
- Mac开发中常用
nonatomic 是 非原子属性
- 没有锁 ， 性能高
- 移动端开发常用

【面试题】 atomic 和 nonatmic区别

nonatomic
- 非原子属性
- 非线程安全，适合内存小的移动设备
atomic
- 原子属性，线程安全 ，针对多线程设计的，默认值
- 保证同一时间只有一个线程能够写入，但是同一个时间多个线程都可以取值
- atomic本身就有一把锁（自旋锁），单写多读：单个线程写入，多个线程读取
- 线程安全，需要消耗大量的资源

iOS开发建议

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处理，减小移动端客户端的压力你

线程间的通讯

在Threading Programming Guide 文档中，提及，线程间的通讯有以下几种方式

直接消息传递：通过performSelector的一系列方法，可以实现由某一线程指定在另外的线程上执行任务，因为任务的执行上下文是目标线程，这种方式发送的消息将会自动的被序列化
全局变量、共享内存块和对象：在两个线程之间传递信息的另一种简单的方法是使用全局变量，共享对象或共享内存块，尽管共享变量即快速又简单，但是它们比直接消息传递更脆弱，必须使用锁或其他同步机制仔细保护共享变量，以确保代码的正确性，否则可能会导致竞争状况，数据损坏或崩溃。
条件执行: 条件是一种同步工具，可用于控制线程何时执行代码的特定部分。您可以将条件视为关守，让线程仅在满足指定条件时运行。
Runloop sources: 一个自定义的 Runloop source 配置可以让一个线程上收到特定的应用程序消息。由于 Runloop source 是事件驱动的，因此在无事可做时，线程会自动进入睡眠状态，从而提高了线程的效率
Ports and sockets：基于 端口的通信 是在两个线程之间进行通信的一种更为复杂的方法，但它也是一种 非常可靠的技术。更重要的是，端口和套接字可用于与外部实体（例如其他进程和服务）进行通信。为了提高效率，使用 Runloop source 来实现端口，因此当端口上没有数据等待时，线程将进入睡眠状态。需要注意的是，端口通讯需要将端口加入到 主线程的Runloop中，否则不会走到端口回调方法
消息队列: 传统的多处理服务定义了先进先出（FIFO）队列抽象，用于管理传入和传出数据。尽管消息队列既简单又方便，但是它们不如其他一些通信技术高效
Cocoa 分布式对象: 分布式对象是一种 Cocoa 技术，可提供基于端口的通信的高级实现。尽管可以将这种技术用于线程间通信，但是强烈建议不要这样做，因为它会产生大量开销。分布式对象更适合与其他进程进行通信，尽管在这些进程之间进行事务的开销也很高

OC底层原理25：多线程原理探索

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