iOS多线程基础

多线程

多线程方案

技术方案	简介	语言	线程生命周期	使用频率
pthread	1. 一套通用的多线程API 2. 适用于Unix/Linux/Windows等系统 3. 跨平台/可移植	C	程序员管理	几乎不用
NSThread	1. 使用更加面向对象 2. 简单易用，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NSThread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

GCD

GCD的队列

• 并发队列（Concurrent Dispatch Queue）

  • 可以让多个任务并发（同时）执行（自动开启多个线程同时执行任务）
  • 并发功能只有在异步（dispatch_async）函数下有效

• 串行队列（Serial Dispatch Queue）

  • 让任务一个接着一个地执行

同步： 在当前线程中执行任务，不具备开启线程的能力

异步：在新的线程中执行任务，具备开启线程的能力（主队列不开启）

并发：多个任务并发（同时）执行

串行：一个任务执行完毕，再执行下一个任务

同步和异步主要影响能不能开启新的线程，并发和串行主要影响执行任务的方式

--	并发队列	手动创建的串行队列	主队列
同步（sync）	没有开启新线程 串行执行任务	没有开启新线程 串行执行任务	没有开启新线程 串行执行任务
异步（async）	有开启新线程 并发执行任务	有开启新线程 串行执行任务	没有开启新线程 串行执行任务

使用sync函数往当前串行队列中添加任务，会卡住当前的串行

队列（产生死锁）

dispatch_group

    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    // 创建并发队列
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("group", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务1---%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            NSLog(@"任务2---%@", [NSThread currentThread]);
        }
    });
    
    // 等前面的任务执行完毕后,自动执行
//    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
//        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
//            for (int i = 0; i < 5; i++) {
//                NSLog(@"任务2---%@", [NSThread currentThread]);
//            }
//        });
//    });
    
    dispatch_group_notify(group, dispatch_get_main_queue(), ^{
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                NSLog(@"任务3---%@", [NSThread currentThread]);
            }
    });

iOS线程同步方案

• OSSpinLock
• os_unfair_lock
• Pthread_mutex
• dispatch_semaphore
• dispatch_quequ(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
• NSLock
• NSCondition
• NSConditionLock
• @synchronized

OSSpinLock 自旋锁

等待锁的线程会出于忙等（busy-wait)状态，一直占用着CPU资源。

目前已经不安全，不建议使用，会造成优先级反转

OSSpinLock已经不建议使用，iOS10.0之后建议使用os_unfair_lock

如果等待锁的线程优先级比较高，它会一直占用CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁

使用

需要#import <libkern/OSAtomic.h>

 // 初始化
 OSSpinLock _lock = OS_SPINLOCK_INIT;
 // 尝试加锁(如果需要等待就不加锁,直接返回false;如果不需要等待就加锁,返回true)
 bool result = OSSpinLockTry(&_lock);
 // 加锁
 OSSpinLockLock(&_lock);
 // 解锁
 OSSpinLockUnlock(&_lock);

os_unfair_lock 互斥锁

• os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock，从iOS10开始才支持
• 从底层调用看，等待os_unfair_lock锁的线程处于休眠状态，并非忙等

使用

需要#import <os/lock.h>

 // 初始化
  os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_INIT;
  // 尝试加锁
  bool result = os_unfair_lock_trylock(&lock);
  // 加锁
  os_unfair_lock_lock(&lock);
  // 解锁
  os_unfair_lock_unlock(&lock);

pthread_mutex（跨平台）

• mutex叫做"互斥锁"，等待锁的线程会处于休眠状态

使用

需要#import <pthread.h>

    // 静态初始化
//        pthread_mutex_t _mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    /**
     #define PTHREAD_MUTEX_NORMAL        0
     #define PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK    1
     #define PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE        2 递归锁
     #define PTHREAD_MUTEX_DEFAULT        PTHREAD_MUTEX_NORMAL 普通的锁
     */
    
    // 初始化锁的属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    // 锁的类型
    pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
    // 初始化锁
    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_mutex_init(&_mutex, &attr);
    // 销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);
   // 加锁
    pthread_mutex_lock(&_mutex);
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    // 销毁锁
    pthread_mutex_destroy(&_mutex);

递归锁 允许同一个线程对一把锁重复加锁

NSLock、NSRecursiveLock

• NSLock就是对mutex普通锁的封装
• NSRecursiveLock是对mutex递归锁的封装

  // 初始化
    NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
    // 尝试加锁
    [lock tryLock];
    // 加锁
    [lock lock];
    // 解锁
    [lock unlock];
    // 在传入时间到来前加锁,时间没到就休眠,时间到了加锁,
    // 加锁成功就返回YES,加锁失败或超出时间就返回NO
    lock lockBeforeDate:<#(nonnull NSDate *)#>

NSCondition

• NSConditionLock是对mutex和cond条件锁的封装

    // 初始化
    NSCondition *condition = [[NSCondition alloc] init];
    // 加锁
    [condition lock];
    // 等待
    [condition wait];
    // 通知
    [condition signal];
    // 广播
    [condition broadcast];
    // 解锁
    [condition unlock];

NSConditionLock

• 是对NSCondition的进一步封装
• 可以设置条件的值

   // 初始化 默认condition为0
    NSConditionLock *conditionLock = [[NSConditionLock alloc] initWithCondition:1];
    // 加锁 直接加锁 不管condition的值
    [conditionLock lock];
    // 符合条件加锁
    [conditionLock lockWhenCondition:1];
    // 解锁
    [conditionLock unlock];
    // 符合条件解锁
    [conditionLock unlockWithCondition:1];

dispatch_queue

• 直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步的

// 创建队列
dispatch_quue_t queue = dispatch_queue_create("ticket", 
DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
// 同步执行
dispatch_sync(queue, ^{
    [super _saveMoney];
});

dispatch_semaphore

• semaphore叫做信号量
• 信号量的初始值 可以用来控制线程并发访问的最大数量

// 信号量初始值
int value = 1;
// 初始化信号量
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(value);
// 如果信号量的值<=0,当前线程就会进入休眠等待(直到信号量的值>0)
// 如果信号的值>0,就减一,然后往下执行代码
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
// 让信号量的值-1
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

@synchronized

• @synchronized是对mutex递归锁的封装
• 源码查看objc-sync.mm

iOS线程同步方案性能比较

0. os_unfair_lock
1. OSSpinLock
2. dispatch_semaphore
3. pthread_mutex
4. dispatch_queue
5. NSLock
6. NSCondition
7. pthread_mutex（recursive）
8. NSRecursiveLock
9. NSConditionLock
10. @synchronized

自旋锁、互斥锁比较

什么情况下使用自旋锁比较划算？

• 预计线程等待锁的时间很短
• 加锁的代码（临界区）经常被调用，但竞争情况很少发生
• CPU资源不紧张
• 多核处理器

什么情况使用互斥锁比较划算？

• 预计线程等待锁的时间比较长
• 单核处理器
• 临界区有IO操作
• 代码比较复杂，或者循环量大
• 临界区竞争非常激烈

atomic

• atomic用于保证属性setter、getter的原子性操作，相当于在getter和setter内部加了线程同步的锁
• 可以参考源码objc4的objc-accessors.m
• 它并不能保证使用属性的过程是线程安全的（比如集合的操作）

读写安全

• 同一时间单写多读
• 同一时间不允许既有写的操作，又有读的操作

实现方案

• pthread_rwlock: 读写锁
• dispatch_barrier_async:异步栅栏调用

pthread_rwlock

使用需要#import <pthread.h>

- (void)initLock {
  // 初始化
  pthread_rwlock_init(&_lock, NULL);
}
​
- (void)read {
    // 加锁
    pthread_rwlock_rdlock(&_lock);
​
    NSLog(@"%s", __func__);
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}
​
- (void)write {
    // 加锁
    pthread_rwlock_wrlock(&_lock);
    NSLog(@"%s", __func__);
    // 解锁
    pthread_rwlock_unlock(&_lock);
}

dispatch_barrier_async

• 这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_create创建的
• 如果传入的是一个串行或是一个全局并发队列，那这个函数变等同于dispatch_async的效果

    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("rw", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_async(queue, ^{
       // 读
        [self read];
    });
    dispatch_barrier_async(queue, ^{
        [self write];  // 写
    });

Demo