iOS-多线程

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多线程，充分利用设备多核的技术。应用非常广泛

iOS中的常见多线程方案

技术方案 简介 语言 线程生命周期 使用频率
pthread 一套通用的多线程API
适用于Unix\Linux\Windows
跨平台\可移植
使用难度大
是下面几种方案的底层实现		 C 程序员管理 几乎不用
NSThread 使用更加面向对象
简单易用，可直接操作线程对象		 OC 程序员管理 偶尔使用
GCD 旨在替代NSThread等线程技术
充分利用设备多核		 C 自动管理 经常使用
NSOperation 基于GCD（底层是GCD）
比GCD多一些简单实用的功能
使用更加面向对象		 OC 自动管理 经常使用

容易混淆的术语

同步和异步：决定能不能开启新的线程

  • 同步：在当前线程中执行任务，不具备开启新线程的能力
  • 异步：在新的线程中执行任务，具备开启新线程的能力

并发和串行：决定任务的执行方式

  • 并发：多个任务并发（同时）执行
  • 串行：一个任务执行完毕后，再执行下一个任务

各种队列的执行效果

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）

队列组的使用

思考：如何用GCD实现以下功能

  • 异步并发执行任务1、任务2
  • 等任务1、任务2都执行完毕后，再回到主线程执行任务3
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- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    dispatch_group_t group = dispatch_group_create();
    dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("myqueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任务1");
    });
    dispatch_group_async(group, queue, ^{
        NSLog(@"任务2");
    });
    dispatch_group_notify(group, queue, ^{
        dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
            NSLog(@"任务3");
        });
    });
}

如果在任务1或者任务2中，我们还要进行异步操作
进入异步操作前

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dispatch_group_enter(group);

异步操作结束

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dispatch_group_leave(group);

多线程的安全隐患

  • 资源共享

    • 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

经典示例：存钱取钱


蓝色操作队列代表甲用户拿卡存钱，绿色代表乙用户拿卡取钱。假如他们操作的是同一个账户；黄色代表账户余额。

经典示例：卖票

npkRzM

分析与解决

解决方案：使用线程同步技术（同步，就是协同步调，按预定的先后次序进行）
常见的线程同步技术是：加锁

线程同步

线程阻塞的方式

  • 忙等：类似死循环（占用CPU资源）
  • 休眠：（不占用CPU资源）

优先级反转
在多线程同步环境中，线程1的优先级比较低，线程2的优先级比较高。在执行过程中，线程1先拿到锁，然后加锁执行读写操作。线程1本身就是低优先级的，在加锁执行特别耗时操作，那么本来高优先级线程B一直在等待。这就叫优先级反转。常发生在自旋锁

锁

自旋锁

线程阻塞的方式采用忙等

互斥锁

线程阻塞的方式采用休眠

递归锁

允许同一个线程对一把锁重复加锁

OSSpinLock

OSSpinLock叫做”自旋锁”，等待锁的线程会处于忙等（busy-wait）状态，一直占用着CPU资源

使用

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#import <libkern/OSAtomic.h>
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// 初始化锁
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);
// 主动加锁（与尝试加锁操作互斥）
OSSpinLockLock(&lock);

// ...
// 读写操作
// ...

// 解锁
OSSpinLockUnlock(&lock);

在实际开发中，要注意lock是多线程共用的，不要写成局部变量，避免每次都重新创建锁，实现不了需求。

存在的问题

  • 目前已经不再安全，可能会出现优先级反转问题
  • 如果等待锁的线程优先级较高，它会一直占用着CPU资源，优先级低的线程就无法释放锁

iOS10之后已经废弃

os_unfair_lock

os_unfair_lock用于取代不安全的OSSpinLock,等待锁的线程会处于休眠状态，并非忙等

使用

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#import <os/lock.h>
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// 初始化锁
os_unfair_lock lock = OS_UNFAIR_LOCK_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 = os_unfair_lock_trylock(&lock);
// 主动加锁（与尝试加锁操作互斥）
os_unfair_lock_lock(&lock);

// ...
// 读写操作
// ...

// 解锁
os_unfair_lock_unlock(&lock);

在实际开发中，要注意lock是多线程共用的，不要写成局部变量，避免每次都重新创建锁，实现不了需求。

pthread_mutex

pthread_mutex叫做”互斥锁”，等待锁的线程会处于休眠状态

使用

导入头文件

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#import <pthread.h>

初始化方法1：静态初始化

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pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

初始化方法2：动态初始化(自定义属性)

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// 初始化属性
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
// PTHREAD_MUTEX_DEFAULT  - 互斥锁
// PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE - 自旋锁
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
// 初始化锁，mutex是指针
pthread_mutex_init(mutex, &attr);

初始化方法2：动态初始化(默认属性)

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pthread_mutex_init(mutex, NULL);

加锁解锁操作

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// 尝试加锁
pthread_mutex_trylock(&mutex);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);

// ...
// 读写操作
// ...

// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);

条件处理

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// 初始化条件
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);
// 等待条件(进入休眠,放开mutex锁;被唤醒后,会再次对mutex加锁)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
// 激活一个等待该条件的线程
pthread_cond_signal(&cond);
// 激活所有等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast(&cond);

在恰当的时机，销毁锁

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pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_mutexattr_destroy(&attr)
pthread_cond_destroy(&cond)

条件处理适用于[生产者-消费者]模式

NSLock

NSLock是对mutex普通锁的封装

使用

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NSLock *lock = [NSLock new];
[lock lock];

// ...
// 读写操作
// ...

[lock unlock];

NSRecursiveLock

NSRecursiveLock是对mutex递归锁的封装
使用

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NSRecursiveLock *lock = [NSRecursiveLock new];
[lock lock]

// ...
// 读写操作
// ...

[lock unlock]

NSCondition

NSCondition是对mutex和cond的封装

使用
语义可参考pthread_mutex

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NSCondition *condition = [NSCondition new];
[condition lock]
[condition wait];
[condition signal];
[condition broadcast];
[condition unlock]

NSConditionLock

条件锁。NSConditionLock是对NSCondition的进一步封装，可以设置具体的条件值

定义说明

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// 条件值
@property (readonly) NSInteger condition;
// 用于condition等于特定值的时候加锁
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
// 尝试加锁,加锁失败时返回NO
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition
// 指定条件时解锁，每次解锁会导致内部的condition值改变为指定的值，同时唤醒其它阻塞的线程检测这里的condition是否满足条件
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
// 指定条件加锁
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;

NSConditionLock相对于NSCondition效率更低。

dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)

直接使用GCD的串行队列，也是可以实现线程同步的

使用

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dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.myqueue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
dispatch_async(queue, ^{
    NSLog(@"任务1");
});
dispatch_async(queue, ^{
    NSLog(@"任务2");
});

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

信号量的初始值为1，代表同时只允许1条线程访问资源，保证线程同步

使用

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// 初始化的时候，数值>1可实现->最大并发数量
// 初始化的时候，数值=1可实现->线程同步
dispatch_semaphore_t semaphore = dispatch_semaphore_create(5);
// 当信号量的值>0，就让信号量的值-1；继续执行下面的代码
// 当信号量的值<=0,就会休眠等待，直到信号量的值>0;一旦>0就让信号量的值-1，继续操作
dispatch_semaphore_wait(semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);

// ...
// 操作
// ...

// 让信号量的值+1
dispatch_semaphore_signal(semaphore);

@synchronized

@synchronized是对mutex递归锁的封装
@synchronized(obj)内部会生成obj对应的递归锁，然后进行加锁、解锁操作

使用

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// 括号里的对象要唯一，不同对象代表锁是不同的。
@synchronized(obj) {
    // ...
    // 操作
    // ...
}

源码查看：objc4中的objc-sync.mm文件
官方不推荐使用，性能差。

以上的方案性能比较

性能从高到低排序

os_unfair_lock
OSSpinLock
dispatch_semaphore
pthread_mutex
dispatch_queue(DISPATCH_QUEUE_SERIAL)
NSLock
NSCondition
pthread_mutex(recursive)
NSRecursiveLock
NSConditionLock
@synchronized

自旋锁、互斥锁比较

什么情况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较长
  • 单核处理器
  • 临界区有IO操作
  • 临界区代码复杂或者循环量大
  • 临界区竞争非常激烈

临界区：lock和unlock之间的代码

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。
原子性代表线程同步。
原子在物理学中定义是最小不可分割的单位
我们的原子性，就是把几个语句作为一个原子来执行。
内部实现
伪代码

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- (void)setA:(int)a {
    if (!atmic) {
        _a = a
    } else {
        加自旋锁
        _a = a
        解锁
    }
}
- (void)getA {
    if (!atmic) { return _a }
    int t = 0;
    加自旋锁
    t = _a;
    解锁
    return t
}

注意
从上面伪代码可以看出，属性的setter方法和getter方法是线程安全的；但是不能保证使用属性的过程是线程安全的

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@interface ViewController ()
@property (nonatomic, atomic) NSMutableArray *data;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // 这一句是线程安全的, 因为调用了setter方法
    self.data = [NSMutableArray array];
    // 下面的addObject操作是线程不安全的
    [self.data addObject:@"1111"];
    [self.data addObject:@"2222"];
}
@end

参考源码objc4的objc-accessors.mm
特别浪费性能，因为属性调用非常频繁，而且浪费内存。常用MacOS的开发，iOS内存小，不要使用。

读写安全方案

思考如何实现以下场景

  • 同一时间，只能有1个线程进行写的操作
  • 同一时间，允许有多个线程进行读的操作
  • 同一时间，不允许既有写的操作，又有读的操作

上面的场景就是典型的“多读单写”，经常用于文件等数据的读写操作，iOS中的实现方案有

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

pthread_rwlock

等待锁的线程会进入休眠

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// 初始化锁
pthread_rwlock_t lock;
pthread_rwlock_init(&lock, NULL);
// 读-加锁
pthread_rwlock_rdlock(&lock);
// 读-尝试加锁
pthread_rwlock_tryrdlock(&lock);
// 写-加锁
pthread_rwlock_wrlock(&lock);
// 写-尝试加锁
pthread_rwlock_trywrlock(&lock);
// 解锁
pthread_rwlock_unlock(&lock);
// 销毁
pthread_rwlock_destroy(&lock);

dispatch_barrier_async

这个函数传入的并发队列必须是自己通过dispatch_queue_cretate创建的
如果传入的是一个串行或是一个全局的并发队列，那这个函数便等同于dispatch_async函数的效果

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// 初始化队列
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("com.myqueue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
    
// 读
dispatch_async(queue, ^{
    
});
    
// 写
dispatch_barrier_async(queue, ^{
    
});

Github工程代码